JP5838806B2 - 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

Description

本発明は、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を備えることにより、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工具基体（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１層または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。
ただ、前記被覆工具は、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。

例えば、特許文献１には、Ｔｉ等の炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物層、炭酸化物層、窒酸化物層および炭窒酸化物層からなるＴｉ化合物層のうち１種または２種以上と、酸化アルミニウム層とで構成された硬質被覆層を２〜２０μｍの平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、硬質被覆層を構成する酸化アルミニウム層を、酸化アルミニウムの主体がα型結晶構造を有し、かつ、上側層と下側層（基体側）で異なる結晶組織を有し、上側部を柱状結晶粒が縦方向に並列配置した結晶組織とし、下側部を粒状結晶組織とした酸化アルミニウム層とすることによって、すぐれた耐チッピング性を奏することが開示されている。

また、特許文献２には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物の１種以上からなる内層および０．０１〜０．５μｍの粒度のアモルファスアルミナと結晶化アルミナとで構成されるアルミナからなる外層からなる被覆層を有する被覆超硬合金工具が開示されている。

さらに、特許文献３には、母材表面に硬質膜を被覆した硬質膜被覆部材において、硬質膜が非柱状晶組織のアルミニウム酸化物あるいは酸窒化物から成り、硬質膜の膜厚が４〜１５μｍである硬質膜被覆部材が開示されている。

特開平１０−７６４０６号公報 特開昭５９−２８５６５号公報 特開昭６４−８３６６７号公報

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乃至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、上部層の熱伝導率が高く、熱遮蔽効果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。

そこで、本発明者らは、前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靭性を備え、その結果、長期の使用に亘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。

即ち、硬質被覆層として、前記従来の酸化アルミニウムからなる上部層を形成したものにおいては、酸化アルミニウムが基体的に垂直方向に柱状をなして形成されている。そのため、耐摩耗性は向上するが、その反面、酸化アルミニウムの異方性が高くなるほど酸化アルミニウム層の靭性が低下する。その結果、耐チッピング性、耐欠損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。

そこで、本発明者らは、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層について鋭意研究したところ、酸化アルミニウム層中に微粒酸化アルミニウムをバイモーダルな粒径分布で存在させることにより、主として粒径の大きな微粒酸化アルミニウムが酸化アルミニウム層の異方性を緩和すると共に、粒径の小さな微粒酸化アルミニウムが酸化アルミニウム層の熱伝導率を抑制し、熱遮蔽効果を向上させることができる。その結果、粒径の大きな微粒酸化アルミニウムが奏する効果と粒径の小さな微粒酸化アルミニウムが奏する効果との相乗効果により硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を飛躍的に向上させることができるという新規な知見を見出したのである。

具体的には、上部層を構成する酸化アルミニウム層を柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織で構成すると共に、その組織内に微粒酸化アルミニウムをバイモーダルな粒径分布で存在させることにより、硬質被膜層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができる。

そして、前述のような構成の酸化アルミニウム層は、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。

工具基体表面に、反応ガス組成（容量％）を、ＡｌＣｌ_３：２．０〜２．２％、ＣＯ_２：４．６〜５．０％、ＨＣｌ：１．９〜２．１％、Ｈ_２Ｓ：０．１〜０．３％、Ｈ_２：残、として、反応雰囲気圧力を、５〜１０ｋＰａとして、反応雰囲気温度を、８７０〜１０４０℃として、化学蒸着法を行うことにより柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を成膜する工程中に、前記反応ガス中に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を高濃度（０．８〜１．４５％）および低濃度（０．２５〜０．７５％）と交互に濃度を変えて添加することにより、バイモーダルの粒径分布を有する微粒酸化アルミニウムが組織内に存在する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を得ることができる。この時、微粒酸化アルミニウムの存在により柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織が分断されることなく、柱状組織のまま成長することを見出した。その結果、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織が有する靭性を低下させることなく、むしろバイモーダルな粒径分布を有する微粒酸化アルミニウムの存在により柱状縦長成長酸化アルミニウムの異方性が増加することにより、靱性が向上するとともに、熱伝導率が抑制され、熱遮蔽効果が向上する。そのため、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができる。

さらに、本発明者らは、酸化アルミニウム層中に存在させる微粒酸化アルミニウムの粒径分布と硬質被覆層の諸特性の関係について、鋭意研究を重ねた結果、微粒酸化アルミニウムの粒径分布が、次のようなバイモーダルな分布であるとき最もすぐれた効果が奏されることを確認した。

すなわち、本発明者らは、微粒酸化アルミニウムの粒径分布と膜特性との関係を詳細に調べた結果、その粒径分布が、図２に示すように、第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第１ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第２ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が１０〜３０個／μｍ^２である時、最もすぐれた膜特性を示すことを見出した。
図２に示した微粒酸化アルミニウムの粒径分布グラフは、次のような方法によって作成することができる。
まず、上部層に存在する微粒酸化アルミニウムの数を、工具基体と垂直方向は上部層膜厚分の厚さに亘って、工具基体と水平方向は長さ合計１０μｍに亘って、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）及び透過電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて測定し、粒径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムの数密度（個／μｍ^２）を求め、図２として示される微粒酸化アルミニウムの粒径ごとの数密度分布グラフを作成する。

本発明は、前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硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が下部層と上部層とからなるとともに、
（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記（ｂ）の上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが存在しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅は５０〜２０００ｎｍ、該最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒酸化アルミニウムの最大粒径が１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、該微粒酸化アルミニウムの上部層中での分布形態がバイモーダルな分布をとることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記微粒酸化アルミニウムの分布の第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第１ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、該微粒酸化アルミニウムの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第２ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が１０〜３０個／μｍ^２であることを特徴とする（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。

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：
少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する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る。下部層を構成するＴｉ化合物層は、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、工具基体と酸化アルミニウム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。

上部層の酸化アルミニウム層：
上部層を構成する酸化アルミニウム層が、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、その平均層厚が２μｍ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を越えると酸化アルミニウム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２〜２５μｍと定めた。

更に本発明は、前記の構成に加えて、以下の条件を併せ持つとき、より一層、すぐれた効果を発揮する。

すなわち、上部層の酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが存在する構成とする。そして、上部層中における微粒酸化アルミニウムがバイモーダルな粒径分布形態をとるとき上部層の酸化アルミニウム層は前述の効果を一層発揮する。

また、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅が５０ｎｍよりも小さいと、長期間使用した際に耐摩耗性が低下する傾向があり、一方、２０００ｎｍを超えると、粒子の粗大化により耐チッピング性、耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅は、５０〜２０００ｎｍとすることがより好ましい。

さらに、前記最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５より小さいと、柱状縦長成長酸化アルミニウムの特徴である高い耐摩耗性が低下する傾向があり、一方、５０を超えると、かえって靭性が低下し、耐チッピング性、耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比は５〜５０とすることがより好ましい。

ここで、最大粒子幅と最大粒子長さとは、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の１つの粒子を計測したとき、粒子の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅と呼び、一方、粒子の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さと呼ぶ。

なお、本発明における微粒酸化アルミニウムとは、粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であって、最大粒径が１５０ｎｍ以下のものを総称して呼んでいる。

微粒酸化アルミニウムの形成：
本発明の微粒酸化アルミニウムは、通常の化学蒸着条件で成膜した上部層の形成過程中に次の条件による化学蒸着法を行うことによって形成することができる。
すなわち、微粒酸化アルミニウムの核となるＴＭＡを反応ガス中に低濃度（Ａ条件）と高濃度（Ｂ条件）の２つの条件で交互に変化させながら添加することによって、バイモーダルな粒径分布を持つ微粒酸化アルミニウムが形成される。
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ_３：２．０〜２．２％、
ＴＭＡ：Ａ条件：０．２５〜０．７５％ Ｂ条件：０．８〜１．４５％、
ＣＯ_２：４．６〜５．０％、
ＨＣｌ：１．９〜２．１％、
Ｈ_２Ｓ：０．１〜０．３％、
Ｈ_２：残、
反応雰囲気温度：８７０〜１０４０℃、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ、

本発明で、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織内に微粒酸化アルミニウムがバイモーダルな粒径分布している構造は、粒径の大きな微粒酸化アルミニウムの存在によって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織に力が加わった際に、１つ１つの柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶にずれが生じるため、靭性が向上し、すぐれた耐チッピング性を示す。また、粒径の小さな微粒酸化アルミニウムの存在によって、膜の熱伝導率が抑制されるため、熱遮蔽効果が向上する。なお、微粒酸化アルミニウムの最大粒径が１０ｎｍ未満では、十分な熱遮蔽効果が得られず、一方、１５０ｎｍを超えると粒界部の増加による熱伝導率の抑制効果が十分得られないため好ましくない。そのため、本発明では、微粒酸化アルミニウムの最大粒径を１０ｎｍ〜１５０ｎｍと定めた。
前記バイモーダルな粒径分布としては、第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第１ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、該微粒酸化アルミニウムの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第２ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が１０〜３０個／μｍ^２であることが特に好ましい。その理由は、第１ピークを１０ｎｍ未満にした場合、十分な熱遮蔽効果が得られず、一方、２０ｎｍを超えた場合、粒界部の増加による熱伝導率を抑制する効果が十分でない。また、第１ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が、２００個／μｍ^２未満にした場合、膜の熱伝導率を抑制する効果が十分でなく、一方、５００個／μｍ^２を超える場合、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の成長を阻害し、耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、第２ピークを５０ｎｍ未満にした場合、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶に生じるずれが靱性を向上させるほど十分でないため好ましくなく、一方、１００ｎｍを超えた場合、かえって靱性が低下するため好ましくない。また、第２ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が、１０個／μｍ^２未満にした場合、膜の靱性を向上させる効果が十分でなく、一方、３０個／μｍ^２を超える場合、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の成長を阻害し、耐摩耗性が低下するため好ましくない。そのため、前記バイモーダルな粒径分布を前述のように定めた。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層が下部層と上部層とからなり、（ａ）下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、からなり、（ｂ）の上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが存在しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅は５０〜２０００ｎｍ、最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、微粒酸化アルミニウムの最大粒径が１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、微粒酸化アルミニウムの上部層中での粒径分布がバイモーダルな分布をとることにより、硬質被膜層の靱性が向上するとともに、熱伝導率が抑制され、熱遮蔽効果が向上するので、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、長期の使用に亘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。

本発明の上部層を構成する酸化アルミニウム層の柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織の成長状態と酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウム分布を模式的に表した膜構成模式図である。 本発明の上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの粒径分布図を示す。 比較例の上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの存在形態の膜構成模式図を示す。

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、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。

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。

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および表４に示される条件かつ表６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、表６に示される目標層厚の上部層（酸化アルミニウム層）からなる硬質被覆層を蒸着形成する。
（ｃ）この時、表４に示されるｋ〜ｏ条件で酸化アルミニウム層を成膜する際に、表４に示されるＴＭＡ（容量％）を２つの異なる濃度（Ａ条件、Ｂ条件）で交互に添加することにより酸化アルミニウム層の組織内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒酸化アルミニウムを形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。

前記本発明被覆工具１〜１５の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、いずれも、図１に示した膜構成模式図に示される柱状結晶の粒界および粒内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒酸化アルミニウムが存在する膜構造が確認された。

さらに、前記本発明被覆工具１〜１５の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて複数の視野に亘って観察したところ、前記微粒酸化アルミニウムは、粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相の混合相であることが確認された。

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及び表５に示される条件かつ表７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。次いで、硬質被覆層の上部層として、表３および表５に示される条件かつ表７に示される目標層厚で酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した。この時には、ＴＭＡを添加せず、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を形成することにより、表７の比較被覆工具１〜１５を作製した。

前記比較被覆工具１〜１５の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、いずれも、図３に示した膜構成模式図に示される縦長成長柱状酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層が確認された。

また、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５の各構成層の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定し平均層厚を求めたところ、いずれも表６および表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。

また、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５については、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、上部層の酸化アルミニウム層を構成する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さを、工具基体と水平方向に長さ合計１０μｍの範囲に存在する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の各々について測定し、それらの平均をとることによって最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さの平均値を求め、それらの比からアスペクト比を求めた。

つぎに、前記本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５について、表８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。
表９に、この測定結果を示した。

表６および表９に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層が、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒酸化アルミニウムが存在していることにより、靱性が向上し、熱伝導率が抑制され熱遮蔽効果が向上するため、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、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。

これに対して、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層にバイモーダルな粒径分布をとる微粒酸化アルミニウムが存在していない比較被覆工具１〜１５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。

前述のように、本発明の被覆工具は、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。

Claims (2)

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設けた表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が下部層と上部層とからなるとともに、
   （ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
   （ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
   からなり、
   前記（ｂ）の上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが存在しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅が５０〜２０００ｎｍ、該最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒酸化アルミニウムの最大粒径が１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、該微粒酸化アルミニウムの上部層中での粒径分布形態がバイモーダルな分布をとることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記微粒酸化アルミニウムの分布の第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第１ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、該微粒酸化アルミニウムの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒酸化アルミニウム径２ｎｍごとに微粒酸化アルミニウムを数えたときの第２ピークにおける微粒酸化アルミニウム数密度が１０〜３０個／μｍ^２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。