該發明涉及一種伴有高熱產生，且沖擊性負荷作用于切削刃的高速斷續切削加工中，硬質包覆層發揮優異的耐崩刀性的表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)。
背景技術：
以往，已知有通常在由碳化鎢(以下用WC表示)基硬質合金或碳氮化鈦(以下用TiCN表示)基金屬陶瓷構成的基體(以下將這些總稱為工具基體)的表面形成由下述(a)及(b)構成的硬質包覆層而成的包覆工具：(a)下部層為Ti化合物層，其由均化學蒸鍍形成的Ti的碳化物(以下用TiC表示)層、氮化物(以下同樣用TiN表示)層、碳氮化物(以下用TiCN表示)層、碳氧化物(以下用TiCO表示)層及碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)層中的2層以上構成，且具有3～20μm的合計平均層厚；及(b)上部層為氧化鋁(以下用Al2O3表示)層，其化學蒸鍍形成，且具有1～25μm的平均層厚。并且，上述以往的包覆工具耐磨性較為優異，但在高速斷續切削條件下使用時，容易產生崩刀等異常損傷，因此提出有關于硬質包覆層的結構的各種方案。例如，如專利文獻1所示，提出有在工具基體表面包覆由Ti化合物層構成的下部層和由Al2O3層構成的上部層的包覆切削工具中，通過形成如下Al2O3層，改善耐崩刀性：對該Al2O3層，在測定角度45～90范圍內測定(0001)面的法線的傾斜角度數分布時，在83～89度范圍內的傾斜角劃分區域中存在最高峰值，并且顯示在83～90度范圍內存在的度數合計占度數整體的45～77％的比例的取向性。并且，如專利文獻2所示，提出有在工具基體表面包覆由Ti化合物層構成的下部層和由Al2O3層構成的上部層的包覆切削工具，通過形成如下Al2O3層，改善高速重切削中的耐崩刀性：將Al2O3層設為由下位層和上位層構成的上下2層結構，利用場發射型掃描電子顯微鏡，對下位層在測定角度45～90度范圍內測定(0001)面的法線的傾斜角度數分布，并且對上位層在測定角度0～45度范圍內測定(0001)面的法線 的傾斜角度數分布時，顯示上位層的在0～15度范圍內存在的度數合計占度數整體的50％以上的比例，并且下位層的在75～90度范圍內存在的度數合計占度數整體的50％以上的比例的取向性。專利文獻1：日本專利4747387號說明書專利文獻2：日本專利4747324號說明書近年來的切削裝置的高性能化顯著，一方面對切削加工的節省勞力化及節能化甚至低成本化的要求強烈，隨此有切削加工漸漸高速化、高效率化的趨勢。并且，根據謀求工具壽命的延長壽命化的觀點，還要求硬質包覆層的厚膜化，但現狀為如下：例如，謀求硬質包覆層(例如，上部層的Al2O3層)的厚膜化時，在上述以往的包覆工具中，尤其將其用于苛刻的切削條件的高速斷續切削、即伴有高熱產生，并且以極短的間距反復且斷續性、沖擊性負荷作用于切削刃部的高速斷續切削中時，由于上部層的Al2O3層的高溫強度、韌性、粘附性不能說較充分，因此容易在切削刃部產生崩刀，因該原因，在較短的時間內達到使用壽命。
技術實現要素：
因此，本發明人等從如上述的觀點出發，為了謀求提高包覆工具的硬質包覆層的耐崩刀性，著眼于構成上部層的Al2O3晶粒的結晶方位差，重復深入研究的結果，得到下述見解。發現了如下事實：在由碳化鎢基硬質合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構成的工具基體的表面，作為下部層，形成Ti化合物層，其具有3～20μm的合計平均層厚，且由Ti的碳化物(TiC)層、氮化物(TiN)層、碳氮化物(TiCN)層、碳氧化物(TiCO)層及碳氮氧化物(TiCNO)層中的1層或2層以上構成，然后，蒸鍍形成上部層的氧化鋁(Al2O3)層時，通過在下部區域、中間區域及上部區域這3個區域以條件不同的方式蒸鍍Al2O3層，即在如下條件下進行蒸鍍，由此能夠形成上部層的各區域間的膜厚方向的結晶方位差漸漸緩和的上部層：在下部區域，提高(0001)面的法線相對于基體表面的法線所成的傾斜角在80～90度范圍內存在的比例，在中間區域，提高上述在70～80度范圍內存在的比例，在上部區域，提高上述在0～10度范圍內存在的比例。并且，具備這種硬質包覆層的包覆切削工具，為如下包覆切削工具：不僅其上部層與下部層的粘附性優異，且還能夠抑制起因于結晶方位差的上部層內部的脆化，并且即使進行厚膜化也具備優異的高溫強度、韌性，因此即使例如將其用在鋼或鑄鐵等的伴有高熱產生且斷續性、沖擊性負荷作用于切削刃的高速斷續切削加工中時，也不會伴有切削刃部中產生崩刀，且經長期使用而發揮優異的耐磨性。該發明是根據上述見解而完成的，其具有如下特征的表面包覆切削工具：一種表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構成的工具基體的表面形成由下述(a)下部層、(b)上部層構成的硬質包覆層而成：(a)下部層為Ti化合物層，其具有3～20μm的合計平均層厚，且由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的1層或2層以上構成；及(b)上部層為氧化鋁層，其具有2～25μm的平均層厚，且在化學蒸鍍的狀態下具有六方晶的結晶結構，其特征在于，(c)上述氧化鋁層由平均區域厚度分別為0.5～3μm、0.5～3μm、1～20μm的下部區域、中間區域及上部區域這3個區域構成，(d)對上述氧化鋁層的各區域，利用場發射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對表面研磨面的測定范圍內存在的具有六方晶格的各晶粒照射電子射線，測定作為所述晶粒的晶體面的(0001)面的法線相對于基體表面的法線所成的傾斜角，將所述測定傾斜角中，處于0～90度范圍內的測定傾斜角按0.25度的間距劃分，并且制成對各劃分區域內存在的度數進行合計而成的傾斜角度數分布圖表時，上述下部區域的80～90度的范圍內存在的度數合計占對該下部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，上述中間區域的70～80度的范圍內存在的度數合計占對該中間區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，上述上部區域的0～10度的范圍內存在的度數合計占對該上部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例。接著，對該發明的包覆工具的硬質包覆層的結構層進一步進行具體說明。下部層(Ti化合物層)：Ti化合物層自身具有高溫強度，因該Ti化合物層的存在使硬質包覆層具備高溫強度，除此以外，還能均堅固地粘附于工具基體和作為上部層的Al2O3層，因此具有有助于提高硬質包覆層對工具基體的粘附性的作用，但在其合計平均層厚不到3μm時，不能充分發揮所述作用，另一方面，若其合計平均層厚超過20μm，則尤其在伴有高熱產生的高速斷續切削中容易引起熱塑性變形，成為偏磨的原因，因此其合計平均層厚定為3～20μm。上部層(Al2O3層)：構成上部層的Al2O3層，一般具有優異的高溫硬度和耐熱性，且有助于提高硬質包覆層的耐磨性，但在其平均層厚不到2μm時，不能對硬質包覆層發揮充分的耐磨 性。另一方面，根據該發明，為了工具壽命的延長壽命化，能夠對其平均層厚進行厚膜化至25μm，但若平均層厚超過25μm變得過厚，則容易產生崩刀，因此將其平均層厚定為2～25μm。膜厚方向的結晶方位差漸漸緩和的由下部區域、中間區域及上部區域這3個區域構成的本發明的Al2O3層例如能夠通過如下所示的3個階段的蒸鍍方法成膜。即，以通常的化學蒸鍍法形成由Ti化合物層構成的下部層之后，在該下部層上，例如使用通常的化學蒸鍍裝置，通過如下所示的3個階段的蒸鍍方法成膜。“下部區域的成膜”在反應氣體組成(容量％)：AlCl3：5～8％、CO2：3～8％、HCl：6～10％、TiCl4：0.1～0.6％、剩余：H2；反應氣氛溫度：750～900℃；反應氣氛壓力：6～10kPa的條件下，直到膜厚成為0.5～3μm為止成膜下部區域，“中間區域的成膜”在反應氣體組成(容量％)：AlCl3：1～5％、CO2：3～8％、HCl：2～5％、TiCl4：0.4～1.0％、H2S：0.05～0.10％、剩余：H2；反應氣氛溫度：750～900℃；反應氣氛壓力：6～10kPa的條件下，直到膜厚成為0.5～3μm為止成膜中間區域，“上部區域的成膜”在反應氣體組成(容量％)：AlCl3：2～5％、CO2：3～8％、HCl：6～10％、H2S：0.25～0.6％、剩余：H2；反應氣氛溫度：960～1020℃；反應氣氛壓力：3～10kPa的條件下，直到膜厚成為1～20μm為止成膜上部區域。由上述的3個階段，成膜Al2O3層，由此能夠形成膜厚方向的結晶方位差漸漸緩和的由下部區域、中間區域及上部區域這3個區域構成的本發明的Al2O3層。并且，該上部層中，上部層的下部區域與下部層的粘附性優異，并且上部層具備優異的高溫強度和韌性，并且，中間區域緩和下部區域和上部區域的急劇的結晶方位差的變化，且能夠抑制因下部區域與上部區域間的急劇的結晶方位差導致的Al2O3層內部的脆化，因此，本發明的具備上部層的包覆工具在高速斷續切削加工中發揮優異的耐崩刀性、耐磨性。關于以上述方式成膜的上部層的Al2O3層，為了對沿層厚方向形成的下部區域、中間區域及上部區域這3個區域各自的晶體取向性進行調查，利用場發射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對截面研磨面的測定范圍內存在的具有六方晶格的各晶粒照射電子射線，測定作為所述晶粒的晶體面的(0001)面的法線相對于基體表面的法線所成的傾斜角，將所述測定傾斜角中，在0～90度范圍內的測定傾斜角按0.25度的間距劃分，并且制成對各劃分區域內存在的度數進行合計而成的傾斜角度數分布圖表時，(I)在下部區域，80～90度的范圍內存在的度數合計占對該下部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，(II)在中間區域，70～80度的范圍內存在的度數合計占對該中間區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，(III)在上部區域，0～10度的范圍內存在的度數合計占對該上部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例。即，可知在上部層的各區域間，膜厚方向的結晶方位差漸漸緩和。圖1示出測定(0001)面的法線所成的傾斜角得到的傾斜角度數分布圖表的一例。圖1的(a)、(b)、(c)分別為對下部區域、中間區域、上部區域進行測定得到的傾斜角度數分布圖表。上述上部層的Al2O3層中，在其下部區域、中間區域、上部區域各自的膜厚不到0.5μm、0.5μm、1μm時，不能期待上部層的厚膜化帶來的工具壽命的延長壽命化，另一方面，若上述各區域的膜厚分別超過3μm、3μm、20μm，則切削刃部容易產生崩刀，因此上部層的下部區域的膜厚定為0.5～3μm，中間區域的膜厚定為0.5～3μm，且上部區域的膜厚定為1～20μm。并且，在上述下部區域，在80～90度的范圍內存在的度數合計小于對該下部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％時，不能確保與下部層的充分的粘附性，并且，在中間區域，在70～80度的范圍內存在的度數合計小于對該中間區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％時，不能充分地謀求下部區域與上部區域間的結晶方位差的緩和，因此不能謀求提高下部區域與上部區域間的粘附性，緩和層內脆化，并且在上部區域，在0～10度的范圍內存在的度數合計小于對該上部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％時，不能充分地發揮Al2O3層所具備的耐磨性。由此，本發明中，以如下方式設定上部層的各區域的Al2O3晶粒的取向比例：由Al2O3層構成的上部層的下部區域的80～90度的范圍內存在的度數合計占對該下部區 域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，且中間區域的70～80度的范圍內存在的度數合計占對該中間區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例，并且上部區域的0～10度的范圍內存在的度數合計占對該上部區域制成的傾斜角度數分布圖表中的度數整體的60％以上的比例。作為硬質包覆層，蒸鍍形成由Ti化合物層構成的下部層和由Al2O3層構成的上部層的該發明的包覆工具為如下包覆工具：上部層的Al2O3層由下部區域、中間區域、上部區域這3個區域形成，且使各區域的Al2O3晶粒的取向性緩慢變化，在下部區域，與下部層的粘附性得到提高，在上部區域，具備優異的高溫強度、高溫硬度、韌性，并且，在中間區域，下部區域和上部區域間的結晶方位差變化得到緩和，因而，通過提高層內粘附性，并且抑制層內脆化，由此即使在伴有高熱產生，并且斷續性、沖擊性負荷作用于切削刃部的高速斷續切削中使用時，不產生崩刀等異常損傷，經長期使用而發揮優異的耐磨性。附圖說明圖1是關于構成本發明包覆工具1的硬質包覆層的上部層的Al2O3層的(0001)面的法線的傾斜角度數分布圖表，(a)是對下部區域測定的傾斜角度數分布圖表，(b)是對中間區域測定的傾斜角度數分布圖表，(c)是對上部區域測定的傾斜角度數分布圖表。具體實施方式接著，根據實施例具體說明該發明的包覆工具。[實施例]準備均具有1～3μm的平均粒徑的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末及Co粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表1所示的配合組成，再加入蠟在丙酮中球磨混合24小時，并進行減壓干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為規定形狀的壓坯，將該壓坯在5Pa的真空中，在以1370～1470℃范圍內的規定溫度保持1小時的條件下真空燒結，燒結后，對切削刃部實施R：0.07mm的刃口修磨加工，由此分別制造出具有ISO·CNMG120408中規定的刀片形狀的WC基硬質合金制工具基體A～D。另外，準備均具有0.5～2μm的平均粒徑的TiCN(質量比為TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機濕式混合24小時并干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為壓坯，將該壓坯在1.3kPa的氮氣氛中，在以1540℃溫度下保持1小時的條件燒結，燒結后，對切削刃部實施寬度R：0.07mm刃口修磨加工，由此形成具有ISO標準·CNMG120412的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體a～d。接著，利用通常的化學蒸鍍裝置，在這些工具基體A～D及工具基體a～d的表面，以表3所示的條件，且以表5所示的組合及目標層厚蒸鍍形成Ti化合物層，作為硬質包覆層的下部層。隨后，以表4所示的條件，且以表6所示的目標層厚蒸鍍形成作為上部層的Al2O3層，由此分別制造出本發明包覆工具1～13。并且，作為比較目的，以表3所示的條件，且以表5所示的組合及目標層厚蒸鍍形成與本發明包覆工具1～13相同的Ti化合物層，作為硬質包覆層的下部層。隨后，在表4所示的條件下，且以表7所示的目標層厚蒸鍍形成作為上部層的Al2O3層，由此分別制造出比較例包覆工具1～13。接著，對構成上述的本發明包覆工具和比較例包覆工具的硬質包覆層的上部層的Al2O3層，利用場發射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，分別制成傾斜角度數分布圖表。首先，通過如下制成傾斜角度數分布圖表：將上部層的Al2O3層的縱截面(下部區域、中間區域、上部區域的任意縱截面)作為研磨面的狀態下，放在場發射型掃描電子顯微鏡的鏡筒內，對所述研磨面，以70度的入射角度且以1nA的照射電流對所述縱截面研磨面的測定范圍內存在的具有六方晶格的各晶粒照射15kV的加速電壓的電子射線，利用電子背散射衍射圖像裝置，對30×50μm的區域以0.1μm/step的間隔，對作為所述晶粒的晶體面的(0001)面的法線相對于工具基體的法線所成的傾斜角進行測定，基于該測定結果，將所述測定傾斜角中的處于0～90度的范圍內的測定傾斜角以0.25度的間距進行劃分，并且對在各劃分區域內存在的度數進行合計。而且，對Al2O3層的下部區域、中間區域、上部區域的各區域進行上述測定。另外，關于比較例包覆工具，由于Al2O3層為單一的區域，不形成上述各區域，因此將Al2O3層的層厚沿層厚方向進行8等分，從工具基體側分別設為第1區域、第2區域、第3區域、第4區域、第5區域、第6區域、第7區域、第8區 域，將第1區域設為與本發明的下部區域對應的區域，將第2區域設為與本發明的中間區域對應的區域，將第3～第8區域設為與本發明的上部區域對應的區域，分別制成各區域的傾斜角度數分布圖表。表6、表7示出在上述求得的傾斜角度數分布圖表中，占度數整體的80～90度(下部區域)、70～80度(中間區域)及0～10度(上部區域)的范圍內的傾斜角劃分區域內存在的度數比例。作為一例，在圖1的(a)～(c)中示出對本發明包覆工具1制成的傾斜角度數分布圖表。如表6、表7分別示出，本發明包覆工具的Al2O3層示出在下部區域80～90度的度數比例較高，在中間區域70～80度的度數比例較高，并且在上部區域0～10度的度數比例較高。對此，在比較例包覆工具中，示出各區域的度數比例為60％以下，并且在區域間不成為傾斜結構。另外，利用掃描型電子顯微鏡分別測定(同樣測定縱截面)本發明包覆工具1～13的下部層的層厚、上部層的各區域的膜厚、以及比較例包覆工具1～13的下部層的層厚、上部層的膜厚，均示出了實際上與目標層厚相同的平均層厚(測定5點的平均值)。[表1][表2][表3][表4][表5][表6][表7]接著，在均用固定夾具將上述各種包覆工具緊固在工具鋼制車刀的前端部的狀態下，對本發明包覆工具1～13及比較例包覆工具1～13，進行了如下切削試驗，并在所有切削試驗中均測定了切削刃的后刀面磨損寬度：工件：JIS·S30C的沿長度方向以等間隔配置有4條縱槽的圓棒、切削速度：360m/min、切深量：1.3mm、進給速度：0.2mm/rev、切削時間：5分鐘的條件(切削條件A)下的碳鋼的濕式高速斷續切削試驗(通常的切削速度為200m/min)；工件：JIS·SCM415的沿長度方向以等間隔配置有4條縱槽的圓棒、切削速度：350m/min、切深量：2.0mm、進給速度：0.32mm/rev、切削時間：5分鐘的條件(切削條件B)下的合金鋼的濕式高速斷續高進給切削試驗(通常的切削速度為200m/min)；及工件：JIS·FCD450的沿長度方向以等間隔配置有4條縱槽的圓棒、切削速度：400m/min、切深量：2.4mm、進給速度：0.32mm/rev、切削時間：5分鐘的條件(切削條件C)下的球墨鑄鐵的干式高速斷續高進給切削試驗(通常的切削速度為180m/min)。將該測定結果示于表8中。[表8]比較例包覆工具的切削試驗結果表示因產生崩刀而達到壽命為止的切削時間(分鐘)從表6～8所示的結果可知，本發明包覆工具1～13為如下包覆工具：上部層的Al2O3層由下部區域、中間區域、上部區域這3個區域形成，且使各區域的Al2O3晶粒的取向性緩慢變化，在下部區域，提高與下部層的粘附性，在上部區域，具備優異的高溫強度、高溫硬度、韌性，并且在中間區域，緩和下部區域和上部區域間的結晶方位差變化，因此通過提高層內粘附性，并且抑制層內脆化，由此即使在伴有高熱產生，并且斷續性、沖擊性負荷作用于切削刃部的高速斷續切削中使用時，也不產生崩刀等異常損傷，經長期使用而發揮優異的耐磨性。相對于此，關于比較例包覆工具1～13，均在高速斷續切削加工中，硬質包覆層產生崩刀，在較短的時間內達到使用壽命。產業上的可利用性如上所述，不用說各種鋼或鑄鐵等在通常條件下的連續切削或斷續切削，尤其在伴有高熱產生，且斷續性、沖擊性負荷作用于切削刃部的高速斷續切削中使用時，該發明的包覆工具也顯示優異的耐崩刀性，經長期使用發揮優異的耐磨性，因此能夠十分滿意地應對切削裝置的高性能化及切削加工的節省勞力化以及節能化甚至低成本化。