CN100439016C - 包覆切削工具部件和在切削工具基体表面上形成硬质包覆层的方法 - Google Patents

包覆切削工具部件和在切削工具基体表面上形成硬质包覆层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种包覆切削工具部件，这种包覆切削工具部件在伴随着产生高热的高速切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工的情况下，不仅能够发挥良好的耐摩耗性，而且，即使在以高进刀量及高送进量等的高负载切削条件下进行上述切削加工的情况下，也能发挥良好的耐卷刃性。在该包覆切削工具部件中，在硬质基体表面上，经过物理蒸镀，以1～10μm的平均层厚，形成从Ti与Al的复合氮化物、复合碳氮化物中选择的硬质包覆层，上述硬质包覆层共存地含有相对于金属元素总量的原子比为0.002～0.1的Zr及0.0005～0.05的Y、Ce的一种以上。

Description

包覆切削工具部件和在切削工具基体表面上形成硬质包覆层的方法
技术领域
本发明涉及一种包覆切削工具部件，这种包覆切削工具部件由于其硬质包覆层不仅具有良好的高温硬度，而且具有更好的高温强度，因此，在伴随着产生高热的高速切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工的情况下，不仅能够发挥良好的耐摩耗性，而且，即使以高进刀量及高送进量等的高负载切削条件进行上述切削加工，也能发挥良好的耐卷刃性。
背景技术
以往，一般的切削工具具有在各种钢或铸铁等被切削材料的车削加工或刨削加工中使用的、可自由装卸地安装在车刀或刀具尖端的镶刃；对上述被切削材料进行开孔加工等使用的钻头或小型钻头；以及在上述被切削材料的端面切削加工或者切槽加工、凸缘切削加工等方面使用的实心型立铣刀等，另外，还有把上述镶刃可自由装卸地安装在本体尖端部并与上述实心型立铣刀同样地进行切削加工的镶刃式立铣刀工具等，这些都是公知的技术。
进一步，以往，作为一般的上述切削工具，有按照下述方式构成的包覆切削工具，即在碳化钨(以下用WC表示)基超硬合金基体、碳氮化钛(以下用TiCN表示)基金属陶瓷或立方晶氮化硼(以下用c-BN表示)基烧结材料基体(以下将这些总称为硬质基体)的表面上，以0.5～10μm的平均层厚，形成例如Ti的氮化物(以下用TiN表示)层、Ti的碳氮化物(以下用TiCN表示)层、Ti与Al的复合氮化物(以下用(Ti，Al)N表示)层等的硬质覆膜，这种包覆切削工具是已知技术。另外，将这种包覆切削工具用于钢或铸铁等的连续切削或断续切削也是公知的技术。
再者，作为上述包覆切削工具的硬质覆膜，公知的有例如(Ti，Al)N层，(Ti，Al)N层通过下述方式形成，例如特开昭62-56565号公报所记载的技术，使用图2概略说明图所表示的电弧离子镀装置，在例如把装置内用加热器加热到500℃温度的状态下，在阳极电极和设置具有与目标覆膜组成相对应的组成的Ti-Al合金的阴极电极(蒸发源)之间，在例如电流：90A的条件下产生电弧放电，同时将作为反应气体的氮气导入装置内，以例如反应气氛为3Pa，并在硬质基体上施加例如-200V偏压电压的条件下，进行物理蒸镀。
另外，上述以往包覆切削工具中的、在基体表面覆盖有TiN层的包覆切削工具，在普通条件的切削加工中使用的情况下，虽然显示出良好的寿命特性，但是，在用于高速条件的切削加工中的情况下，摩耗的进行使这种刀具过早地达到使用寿命，而覆盖有TiCN层或(Ti，Al)N层的包覆切削工具，特别是覆盖有(Ti，Al)N层的包覆切削工具，由于(Ti，Al)N层的改进的高温硬度、耐氧化性的效果，即使在高速条件的切削加工中，也能显示出非常出色的耐摩耗性，因而，这种(Ti，Al)N层当前作为包覆切削工具的硬质包覆层得到了广泛的使用，已是公知的技术。
还有，以进一步提高上述(Ti，Al)N层的耐氧化性及高温特性为目的，形成上述(Ti，Al)N层的公知技术有例如特开平7-310174号公报、特开平8-199338号公报、特开平9-295204号公报、特开平11-131215号公报所记载，在上述硬质包覆层上以置换Ti和/或Al的形式含有Si、Y、Zr、V、Nb、Cr等的第3金属的各种(Ti，Al，X)N层的物理蒸镀法。其中，添加Si的、满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXSiY)NZC1 -Z)(其中，用原子比表示x：0.05～0.75、y：0.01～0.1、z：0.6～1)的Ti、Al与Si的复合氮化物(以下用(Ti，Al，Si)N表示)层；或者添加有Y的、满足分子式：(TiaAlbYc)CXN1-X)(其中，用原子比表示a：0.3～0.7、b：0.3～0.7、c：0.01～2、x：0～1)的Ti、Al及Y的复合氮化物(以下用(Ti，Al，Y)N表示)层，其耐氧化性的改善效果特别好，这也是公知的。上述耐氧化性得到进一步改善的覆盖有(Ti，Al，Si)N层的包覆切削工具，特别是在高硬度钢的切削加工中发挥出比(Ti，Al)N层更好的切削性能，这也是公知的。
进一步，作为包覆切削工具，人们提出了经过物理蒸镀在上述硬质基体表面上，以1～15μm的平均层厚，形成满足分子式(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.45～0.65、Y：0.1～0.15)的Ti、Al与Zr的复合氮化物(以下用(Ti，Al，Zr)N表示)层组成的硬质包覆层而构成的包覆切削工具，该包覆切削工具由于构成硬质包覆层的上述(Ti，Al，Zr)N层具有良好的高温特性(高温硬度及耐热性、高温强度)，因此，用于伴随发生高热的各种钢或铸铁等高速连续切削或高速断续切削加工中，这也已经是公知技术。
此外，上述包覆切削工具是通过下述方法制造的：将上述硬质基体装入例如图2概略说明图所示的作为物理蒸镀装置的一种的电弧离子镀装置中，用加热器将装置内加热到例如400℃温度的状态下，在阳极电极和设置具有给定成分的Ti-Al-Zr合金的阴极电极之间，在例如电流：90A的条件下产生电弧放电，同时将作为反应气体的氮气导入装置内，以例如反应气氛为2Pa，并在硬质基体上施加例如-200V偏压电压的条件下，在上述硬质基体的表面上，通过蒸镀形成由上述(Ti，Al，Zr)N层组成的硬质包覆层，这也是公知技术。
随着近年来切削加工装置高性能化的崛起，一方面对切削加工要求省力化及节能化，另一方面，迫切要求低成本化。随之，还渴望得到下述的包覆切削工具，这种包覆切削工具，在伴随发生高热的高速切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工的情况下，不仅能发挥良好的切削性能，而且，即使在以高进刀量及高送进量等的高负载切削条件下进行上述切削加工的情况下，也能发挥良好的切削性能。
另一方面，目前的现状是，在基体表面上覆盖有上述(Ti，Al)N层或(Ti，Al，Si)N层或(Ti，Al，Zr)N层的包覆切削工具，虽然在高速条件的切削加工中能显示出良好的耐摩耗性，但是，在更高的进刀量及高送进量等的高负载切削条件下进行上述高速切削加工的情况下，很容易发生卷刃，在短时间内就达到了使用寿命。
发明内容
鉴于此，本发明者等从上述观点出发，为了开发特别是在高速强力切削加工中使硬质包覆层发挥良好的耐卷刃性的包覆切削工具，着眼于构成上述以往的包覆切削工具的硬质包覆层，进行了研究，结果如下：
(a)利用上述图2所示的电弧离子镀装置形成的作为以往硬质包覆层的(Ti，Al，Zr)N层，虽然沿着全部的厚度具有均质的强度与韧性、高温硬度与耐热性以及高温强度，但是，由于利用例如图1A以概略平面图、图1B以概略正面图所示结构的电弧离子镀装置：在装置中央部设有基体安装用旋转台，隔着上述旋转台在一侧配置有上述以往(Ti，Al，Zr)N层形成中作为阴极电极使用的相当于Ti-Al-Zr合金的Al含量相对高的Ti-Al-Zr合金，在另一侧配置有Al含量相对低的Ti-Al-Zr合金，无论是Al含量相对高的Ti-Al-Zr合金，还是Al含量相对低的Ti-Al-Zr合金，都可以作为阴极电极使用，且两者对峙地配置着，在该装置的所述旋转台上，在朝半径方向上离开上述旋转台中心轴的位置安装硬质基体，在这种状态下，使装置内的反应气氛为氮气气氛并使上述旋转台旋转，同时，为了实现蒸镀所形成的硬质包覆层的层厚均匀化的目的，也让硬质基体本身自转，并在上述两侧的阴极电极与阳极电极之间产生电弧放电的条件下形成(Ti，Al，Zr)N层，这时，在上述硬质基体的表面上，在配置于朝半径方向离开上述旋转台上中心轴位置的上述硬质基体相对上述一侧最接近Al含量高的Ti-Al-Zr合金的阴极电极的时候，在层中形成Al成分最高含有点，另外，在上述硬质基体相对上述另一侧最接近Al含量低的Ti-Al-Zr合金的阴极电极的时候，在层中形成Al成分最低含有点，因此，通过上述旋转台的旋转，在层中形成具有上述Al成分最高含有点与上述A l成分最低含有点沿厚度方向以给定间隔交替反复地出现的同时、从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al含量连续变化的成分浓度分布结构的(Ti，Al，Zr)N层。
(b)在上述(a)的反复、连续变化的成分浓度分布结构的(Ti，Al，Zr)N层中，让对峙配置的一侧阴极电极的Ti-Al-Zr合金中的Al及Z r含量相当于上述以往(Ti，Al，Zr)N层形成用Ti-Al-Zr合金中的Al及Zr含量，另一侧阴极电极的Ti-Al-Zr合金中的Al含量与上述以往Ti-Al-Zr合金的Al含量相比相对低，同时，控制安装有硬质基体的旋转台的旋转速度；
上述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.45～0.65、Y：0.01～0.15)；
上述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.15～0.40、Y：0.01～0.15)；且相邻的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的厚度方向的间隔为0.01～0.1μm时，由于一方面，上述Al成分最高含有点部分具有相当于上述以往(Ti，Al，Zr)N层所具备的高温硬度与耐热性、强度与韧性以及高温强度的性质，另一方面，上述Al成分最低含有点部分，与上述Al成分最高含有点部分相比，Al含量低，相对的Ti含量高，因而，确保有更高的强度与韧性，而且，由于该Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔非常小，所以，层整体的特性在保持良好的高温硬度与耐热性、以及高温强度的状态下，具有更好的强度与韧性，因而，硬质包覆层由这样构成的(Ti，Al，Zr)N层组成的包覆切削工具，特别是在伴随有高机械冲击的高进刀量或高送进量等强力切削条件下进行各种钢或铸铁等高速切削加工的情况下，硬质包覆层也能发挥良好的耐卷刃性。得到以上(a)及(b)所示的研究结果。
本发明是基于上述研究结果作出的，提供一种包覆切削工具，在硬质基体表面上，经过物理蒸镀，以1～15μm的整体平均层厚形成(Ti，Al，Zr)N层组成的硬质包覆层，其特征是，上述硬质包覆层具有沿厚度方向Al成分最高含有点与Al成分最低含有点以给定间隔交替反复地存在，而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构；
而且，上述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.45～0.65、Y：0.01～0.15)；
上述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.15～0.40、Y：0.01～0.15)；且相邻的上述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm，在高速强力切削条件下硬质包覆层发挥良好的耐卷刃性。
另外，本发明提供一种在硬质基体表面上形成硬质包覆层的方法，其特征是，在电弧离子镀装置内的旋转台上，在朝半径方向上离开上述旋转台中心轴的位置可自由转动地安装WC超硬合金及/或TiCN基金属陶瓷及/或c-BN基烧结材料组成的硬质基体，让上述电弧离子镀装置内的反应气氛为氮气气氛，让夹着上述旋转台对峙配置的Al成分最高含有点形成用的Ti-Al-Zr合金的阴极电极及Al成分最低含有点形成用的Ti-Al-Zr合金的阴极电极和与这些阴极电极并列设置的各个阳极电极之间产生电弧放电，并且，在上述旋转台上一边自转一边旋转的上述硬质基体表面上，通过物理蒸镀，以1～15μm的整体平均层厚，形成由(Ti，Al，Zr)N组成的硬质包覆层，该硬质包覆层具有沿厚度方向使Al成分最高含有点与Al成分最低含有点以给定间隔交替反复地出现、且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al含量连续变化的成分浓度分布结构，并且，该硬质包覆层中上述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.45～0.65、Y：0.01～0.15)，上述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N(其中，用原子比表示X：0.15～0.40、Y：0.01～0.15)；且相邻的上述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm，上述硬质包覆层在高速强力切削条件下发挥良好的耐卷刃性。
接着，说明本发明的包覆切削工具中，构成上述形式的硬质包覆层的构成限定在通过上文所描述内容的理由。
(A)Al成分最高含有点的组成
Al成分最高含有点的(Ti，Al，Zr)N中的Ti成分，有提高强度与韧性的作用，其中的Al成分有提高高温硬度与耐热性的作用，因此，如果Al成分的含有比例越高，就越能提高高温硬度与耐热性，适应于伴随发生高热的高速切削，然而，表示Al含有比例的X值超过占Ti与Zr总量的比例(原子比)的0.65时，具有高强度与韧性的Al成分最低含有点即使邻接地出现，也无法避免层本身强度与韧性的降低，结果，很容易发生卷刃等，另一方面，X值不满0.45时，要保证给定的高温硬度与耐热性是困难的，因而，将X值定为0.45～0.65。
进一步，Zr成分虽然有提高高温强度的作用，但是，表示Zr比例的Y值不满占Al与Ti总量的比例(原子比)的0.01时，就得不到所希望的高温强度的提高效果，另外，如果该Y值超过0.15时，会出现高温硬度与耐热性降低的倾向，因此将该Y值定为0.01～0.15。
(B)Al成分最低含有点的组成
上述的Al成分最高含有点具有给定的高温硬度与耐热性以及高温强度，但相反，在伴随高机械冲击的高进刀量或高送进量等的强力切削条件下的高速切削加工中，不可避免地会发生强度与韧性的不足，以补充该Al成分最高含有点的强度与韧性的不足为目的，是提高Ti含有比例，另一方面，降低Al含量。借此，使具有更高强度与韧性的Al成分最低含有点在厚度方向上交替地存在，因而，如果表示Al比例的X值超过占Ti与Zr成分总量的比例(原子比)的0.40时，不能确保所希望的良好的强度与韧性，另一方面，如果该X值不满0.15时，不能确保给定的高温硬度与耐热性，因此，即使高温硬度与耐热性良好的Al成分最高含有点邻接地存在，也会促进层本身的摩耗，所以，将Al成分最低含有点的表示Al比例的X值确定为0.15～0.40。
进一步，Al成分最低含有点中的Zr成分也能提高上述的高温强度，而且，也具有适应于伴随发生高热的高速切削之目的，因此，Y值不满0.01时，得不到所希望的高温强度的提高效果，如果该Y值超过0.15时，会出现高温硬度与耐热性降低的倾向，这也是摩耗产生的原因，因此将该Y值确定为0.01～0.15。
(C)Al成分最高含有点与A l成分最低含有点的间隔
该间隔不满0.1μm时，各个点以上述组成明确地形成比较困难，结果，在层中确保了给定的高温硬度与耐热性以及高温强度的基础上，将不能确保更高的强度与韧性，另外，如果该间隔超过0.1μm，强力切削条件下的高速切削加工中分别存在这样的缺点，即如果是Al成分最高含有点，层内局部会出现强度与韧性不足，如果是Al成分最低含有点，层内局部出现高温硬度与耐热性不足，因此易产生卷刃，促使摩耗的继续，所以将该间隔确定为0.01～0.1μm。
(D)硬质包覆层的整体平均层厚
该层厚不满1μm时，不能确保所希望的耐摩耗性，另一方面，如果该平均层厚超过15μm时，容易发生卷刃，因此将该平均层厚确定为1～15μm。
进一步，本发明者等从上述观点出发，为了开发出硬质包覆层具备更好的高温硬度以及高温强度，特别在高速负载切削加工中发挥出良好的耐摩耗性及耐缺损性的包覆切削工具进行了研究，结果如下：
(c)在构成上述以往的包覆切削工具的硬质包覆层的(Ti，Al)N上，用含有作为必要元素的Zr、作为选择元素的Y、Ce的一种以上元素、并从以分子式：(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，M表示Y、Ce的一种以上，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.05～0.6、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)所表示的Ti、Al、Zr、Y及Ce中选择出的一种以上的复合氮化物(以下用(Ti，Al，Zr，M)N表示)，构成硬质包覆层时，该结果的包覆切削工具，上述(Ti，Al，Zr，M)N与上述(Ti，Al)N层或(Ti，Al、Si)N层相比较，不仅能发挥良好的耐氧化性，而且具有更高的高温硬度，因此，硬质包覆层由该构成的(Ti，Al，Zr，M)N层组成的包覆切削工具，特别是在高速条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工的情况下，能发挥更好的耐摩耗性。
(d)上述(Ti，Al、Si)N层或(Ti，Al、Y)N层的耐氧化性提高的原因在于，与由于覆膜表面氧化而在覆膜表面所生成的氧化膜是热稳定的且致密的，所以，抑制氧扩散的间接的耐氧化性的提高是不同的，上述(Ti，Al，Zr，M)N层的良好的耐氧化性是包括覆膜表面在内的覆膜不易被氧化的直接的耐氧化的提高实现的。换句话说，就可以将表面部分长期维持在硬质且耐氧化性优良的健全状态下。
(e)象上述(Ti，Al，Zr，M)N层那样同时具有非常优良的耐氧化性及极高的高温硬度不仅在硬质包覆层为氮化物的情况下是可能的，而且在硬质包覆层为碳氮化物的情况下也是可能的，但是，在这种情况下，特别是在断续切削中，为了维持最低限度必要的耐氧化性，需要氮原子比率在60％以上，也就是说，必须满足(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N1-dCd(其中，各元素构成比率a、b、c及d用原子比表示a：0.05～0.60、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05、d：0～0.4)。
(f)在保持作为采用上述(b)成分浓度分布结构的层整体特性的、良好的高温硬度与耐热性以及高温强度的状态下、具有更高的强度与韧性的硬质被覆层的形成，在包括相对于含有Ti与Al的金属元素总量的原子比Zr为：0.02～0.1、Y、Ce的一种以上为：0.0005～0.05的硬质包覆层中也是可行的，在具有该成分浓度分布结构的(Ti，Al，Zr，M)N层(其中，M表示Y、Cc的一种以上)的形成中，让作为对峙配置的一侧阴极电极的Ti-Al-Zr-M合金中的Al含量相对高一些，让作为另一侧阴极电极的Ti-Al-Zr-M合金中的Al含量相对低一些，同时，控制安装有硬质基体的旋转台的旋转速度；
上述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.40～0.60、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)；
上述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.05～0.25、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)；且相邻的上述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的厚度方向的间隔为0.01～0.1μm时，由于一方面，在上述Al成分最高含有点部分能确保良好的高温硬度与耐氧化性，另一方面，在上述Al成分最低含有点部分，能确保更高的强度与韧性，且这些Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔非常小，所以，层整体的特性在保持良好的高温硬度与耐氧化性的状态下，具有更好的强度与韧性，进而，硬质包覆层由这样的成分浓度分布结构(Ti，Al，Zr，M)N层组成的包覆切削工具，特别是在高速高负载切削条件下进行各种钢或铸铁等切削加工的情况下，硬质包覆层也能发挥良好的耐摩耗性及耐缺损性。得到以上(a)到(f)所示的研究结果。
本发明是基于上述研究结果作出的，提供一种包覆切削工具，其特征是，在硬质基体表面上经过物理蒸镀以1～10μm的平均层厚形成的硬质包覆层，由以分子式：(Ti1(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，M表示Y、Ce的一种以上，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.05～0.60、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)所表示的(Ti，Al，Zr，M)N层构成，硬质包覆层具有极高的覆膜硬度，能发挥良好的耐摩耗性；进一步，上述硬质包覆层具有沿厚度方向Al成分最高含有点与Al成分最低含有点以给定间隔交替反复地存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构；还有，上述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.40～0.60、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)，上述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(a+b+c)AlaZrbMc)N(其中，各元素构成比率a、b、c用原子比表示a：0.05～0.25、b：0.002～0.1、c：0.0005～0.05)，且相邻的上述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm，即使在高速高负载条件下的切削加工中，硬质包覆层也能发挥良好的耐卷刃性。
接着，说明如上所述地限定构成本发明的包覆切削工具的硬质包覆层的(Ti，Al，Zr，M)N的结构的理由。
(E)覆膜成分组成
在上述(Ti，Al，Zr，M)N中，作为主构成成分的Ti与Al在相互共存的状态下发挥着有助于提高覆膜高温硬度与耐氧化性的作用，但是，如果覆膜中的Al成分不满0.30，高温硬度与耐氧化性都开始降低。在这种情况下，如果共存地含有Y和/或Ce成分，就可能赋予良好的高温硬度，而且，耐氧化性的降低通过共存地含有Zr成分也能得到抑制。但是，Al成分不满0.05时，虽然能够维持有助于Y和/或Ce成分共存地含有所带来的高温硬度的提高，但是，即使采用了Zr成分的共存地含有的方法，也不能确保所希望的耐氧化性。另一方面，如果Al成分超过0.60，Y和/或Ce的共存效果会使覆膜组织晶界密度过分地变高，促使从晶粒边界继续氧化，因而，Al的比例选择0.05～0.60，最好是0.30～0.50。
此外，作为该构成成分的Zr，在以对应于Al成分存在比率的比例共存的状态下，可防止覆膜氧化，而且能避免硬质包覆层表面的氧化引起的功能的降低，可以发挥长期维持良好的耐摩耗性的作用，然而，如果其比例不满0.002，就得不到所希望的耐氧化性提高的效果，另一方面，Zr氮化物自身由于高温硬度并不高，所以，其比例相对于金属元素总量的原子比超过0.1而变高时，层本身的高温硬度会降低，要想保持高速切削加工所要求的高温硬度是困难的，不能维持因Ti、Al及Y和/或Ce所具备的良好的耐摩耗性，因此，将Zr的比例确定为0.002～0.1，最好是0.005～0.05。
再者，含有该构成成分的Y和/或Ce，在以给定比率和Ti及Al成分共存的状态下，能够达到提高(Ti，Al，Zr)N层的高温硬度的目的，但是，如果Y和/或Ce的比例不满0.0005，就得不到所希望的高温硬度提高的效果，另一方面，Y和/或Ce氮化物自身由于高温硬度并不高，所以，其比例相对于金属元素总量的原子比超过0.05而变高时，作为(Ti，Al，Zr，M)N层的高温硬度会降低，要想保持高速切削加工所要求的高温硬度是困难的，结果促进了摩耗，因此，将Y和/或Ce的比例确定为0.0005～0.05，最好是0.001～0.02。
(F)Al成分最高含有点的组成
成分浓度分布结构覆膜的Al成分最高含有点的(Ti，Al，Zr，M)N中的T i成分有提高强度与韧性的作用，其Al成分在与Ti成分共存的状态下，有提高覆膜高温硬度与耐氧化性的作用，因此，Al成分的含有比例越高，就越能提高高温硬度与耐氧化性，适应于伴随发生高热的高速强力切削，然而，如前面所示，如果表示Al的含有比例的a值超过所占金属元素的比例(原子比)的0.60时，Y和/或Ce的共存效果会使覆膜组织的晶界密度过分地变高，促使从晶粒边界继续氧化，另一方面，考虑到既要有良好的高强度与韧性、又要使高温硬度与耐氧化性相对低一些的与Al成分最低含有点的共存，有必要给Al成分最高含有点赋予特别良好的高温硬度与耐氧化性，因此，将a值定为0.40～0.60。
(G)Al成分最低含有点的组成
通过上文所述，Al成分最高含有点虽然具有给定的高温硬度与耐氧化性，但是，相反，在伴随高机械冲击的高进刀量或高送进量等的高负载切削条件下的高速切削加工中，不可避免地会发生强度与韧性的不足，以补充该Al成分最高含有点的强度与韧性为目的，是提高Ti含有比例，另一方面，降低Al含量，借此，使具有更好的强度与韧性的Al成分最低含有点在厚度方向上交替地存在，因而，如果表示Al比例的a值超过所占金属元素总量的比例(原子比)的0.25时，不能确保所希望的良好的强度与韧性，另一方面，如果该a值不满0.05时，即使在与Zr及Y和/或Ce的共存下，高温硬度与耐氧化性也会急剧地下降，因此，即使高温硬度与耐氧化性非常良好的Al成分最高含有点邻接地存在，也会促进层本身的摩耗，因此，将表示Al成分最低含有点的Al比例的X值确定为0.05～0.25。
(H)Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔
该间隔不满0.01μm时，各个点以上述组成明确地形成比较困难，结果，在层中确保了给定的高温硬度与耐氧化性的基础上，将不能确保更好的强度与韧性，另外，如果该间隔超过0.1μm，高负载切削条件下的高速切削加工中分别存在这样的缺点，即如果是Al成分最高含有点，层内局部会出现强度与韧性不足，如果是Al成分最低含有点，层内局部出现耐氧化性与高温硬度不足，这也是易产生卷刃、促使摩耗的继续原因，因此将该间隔确定为0.01～0.1μm。
(I)硬质包覆层的整体平均层厚
该层厚不满1μm时，不能确保所希望的耐摩耗性，另一方面，如果该平均层厚超过10μm时，容易发生卷刃，因此将该平均层厚确定为1～10μm。
附图说明
图1A、1B示出了用于形成构成本发明包覆切削工具的硬质包覆层的电弧离子镀装置，图1A是概略的平面图，图1B是概略的正面图。
图2是用于形成构成以往包覆切削工具的硬质包覆层的普通的电弧离子镀装置的概略说明图。
具体实施方式
接着，通过实施例，具体地说明本发明的包覆切削工具。
实施例1
作为原料粉末，预备任何一种具有1～3μm平均粒径的WC粉末，TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C3粉末及Co粉末，将这些原料粉末按照表1所示的配合组成配合，用球磨机以48小时湿式混合，干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为压粉体，将该压粉体在6Pa的真空中，在温度：1420℃、保持1小时的条件下烧结，烧结后，对刀刃部分施以R：0.03研磨加工，形成具有ISO规格·CNMG120412镶刃形状的WC基超硬合金制的硬质基体A-1～A-10。
另外，作为原料粉末，预备任何一种具有0.5～2μm平均粒径的TiCN(重量比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，将这些原料粉末按照表2所示的配合组成配合，用球磨机以72小时湿式混合，干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为压粉体，将该压粉体在2kPa的氮气气氛中，在温度：1520℃、保持1小时的条件下烧结，烧结后，对刀刃部分施以R：0.03研磨加工，形成具有ISO规格·CNMG120412镶刃形状的TiCN系金属陶瓷制的硬质基体B-1～B-6。
接着，将上述A-1～A-10及B-1～B-6分别在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，在图1A、图1B所示的电弧离子镀装置内的旋转台上沿着外周部的位置安装，将作为一侧的阴极电极(蒸发源)的具有各种成分组成的Al成分最高含有点形成用Ti-Al-Zr合金和作为另一侧阴极电极的Al成分最低含有点形成用Ti-Al-Zr合金夹着上述旋转台对峙地配置着，另外，也设置有轰击洗涤用金属Ti，首先，将装置内排气，保持0.5Pa以下的真空，同时，用加热器将装置内加热到500℃后，对一边在上述旋转台上自转一边旋转的硬质基体施加-1000V的直流偏压电压，而且，让电流在阴极电极的上述金属Ti与阳极电极之间以100A的电流流过，产生电弧放电，因此，对硬质基体表面进行Ti轰击洗涤，接着，将作为反应气体的氮气气体导入装置内，使其成为3Pa的反应气氛，同时，对一边在上述旋转台上自转一边旋转的硬质基体施加-30V的直流偏压电压，使150A的电流分别经过阴极电极(上述Al成分最高含有点形成用Ti-Al-Zr合金及Al成分最低含有点形成用Ti-Al-Zr合金)与阳极电极之间流动，产生电弧放电，并且，通过蒸镀，在上述硬质基体表面上形成：具有表3、4所示的目标组成的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向交替地相同、且以表3、4所示的目标间隔反复存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的成分含量连续变化的成分浓度分布结构；而且为表3、4所示的目标整体层厚的硬质包覆层，借此，分别制造出成为本发明包覆切削工具的本发明表面包覆超硬合金制镶刃(以下称作本发明包覆镶刃)的1A～10A、1B～6B。
另外，以比较为目的，分别把该硬质基体A-1～A-10及B-1～B-6在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，分别装入图2所示普通的电弧离子镀装置中，并且设置有作为阴极电极的各种成分组成的Ti-Al-Zr合金，另外，也设置有轰击洗涤用金属Ti，首先，将装置内排气，保持0.5Pa以下的真空，同时，用加热器将装置内加热到400℃后，对上述硬质基体施加-1000V的直流偏压电压，而且，让电流在阴极电极的上述金属Ti与阳极电极之间以90A的电流流过，产生电弧放电，因此，对硬质基体表面进行Ti轰击洗涤，接着，将作为反应气体的氮气气体导入装置内，使其成为2Pa的反应气氛，同时，把对上述硬质基体施加的偏压电压降到-200V，在上述阴极电极与阳极电极之间产生电弧放电，而且，在上述硬质基体A-1～A-10及B-1～B-6各自的表面上，通过蒸镀，形成具有表5、6所示的目标组成及目标层厚且组成沿厚度方向实质上不变化的(Ti、Al、Zr)N层组成的硬质包覆层，借此，分别制造出作为以往包覆切削工具的以往表面包覆超硬合金制镶刃(以下称作以往包覆镶刃)1a～10a、1b～6b。
接着，对于上述本发明包覆镶刃1A～10A、1B～6B以及以往包覆镶刃1a～10a、1b～6b，用工具钢制成的车刀的尖端部，并用固定工具在螺纹紧固的状态下，并按照下述条件对其进行合金钢的干式连续高速高进刀量的切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SNCM439圆杆
切削速度：300m/min
进刀量：5.5mm
送进量：0.15mm/rev
切削时间：5分
另外，还按照下述条件对其进行合金钢的干式断续高速高进刀量切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440的长度方向上等间隔地加有4根纵槽的圆杆
切削速度：300m/min
进刀量：1.6mm
送进量：0.5mm/rev
切削时间：5分钟
再者，还按照下述条件对其进行铸铁的干式连续高速高进刀量切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·FC300的圆杆
切削速度：320m/min
进刀量：5.5mm
送刀量：0.15mm/rev
对于任何一种切削加工试验，都测定其刀刃的后隙面摩耗宽度，将该测定结果在表7中示出。
[表1]
Figure C0381924200181
[表2]
Figure C0381924200191
[表5]
Figure C0381924200211
[表6]
Figure C0381924200212
[表7]
Figure C0381924200221
Figure C0381924200231
(表中，寿命源于刀刃处产生了卷刃)
实施例2
作为原料粉末，预备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径1.3μm的TaC粉末、平均粒径1.2μm的NbC粉末、平均粒径1.2μm的ZrC粉末、平均粒径2.3μm的Cr3C3粉末、平均粒径1.5μm的VC粉末、平均粒径1.0μm的(Ti，W)C粉末以及平均粒径1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别按照表8所示的配合组成配合，进一步加石蜡，在丙酮中用球磨机以50小时混合，减压干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为给定形状的各种压粉体，将该压粉体在6Pa的真空气氛中，以7℃/分的升温速度升温到1370～1470℃的范围内的给定温度，在该温度下保持1小时后，在炉冷的条件下烧结，形成直径8mm、13mm及26mm的三种硬质基体形成用圆杆烧结体，进一步，经过磨削加工，并按照表8所示的组合，从上述三种圆杆烧结体中分别制造出刀刃部的直径×长度为：6mm×13mm、10mm×22mm及20mm×45mm，并且螺旋角为：30度的4枚刃四边形状的硬质基体(立铣刀)C-1～C-8。
接着，将上述硬质基体(立铣刀)C-1～C-8在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地，装入图1A、图1B所示的电弧离子镀装置中，在与上述实施例1相同的条件下，进行蒸镀，形成具有表9所示的目标组成的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向交替地相同、且以表9所示的目标间隔反复存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构；并为该表9所示的目标整体层厚的硬质包覆层，借此，分别制造出本发明包覆切削工具的本发明表面包覆超硬合金制立铣刀(以下称作本发明包覆立铣刀)的1C～8C。
另外，以比较为目的，把上述硬质基体(立铣刀)C-1～C-8在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地装入图2所示普通的电弧离子镀装置中，在与上述实施例1相同的条件下，进行蒸镀，形成具有表10所示的目标组成及目标层厚且组成沿厚度方向实质上不变化的(Ti、Al、Zr)N层组成的硬质包覆层，由此，分别制造出作为以往包覆切削工具的以往表面包覆超硬合金制立铣刀(以下称作以往包覆立铣刀)1c～8c。
接着，对于上述本发明包覆立铣刀1C～8C以及以往包覆立铣刀1c～8c中的本发明包覆立铣刀1C～3C及以往包覆立铣刀1c～3c，并按照下述条件对其进行铸铁的湿式高速高进刀量侧面切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·FC300的板材
切削速度：320m/min
轴向进刀量：10mm
径向进刀量：1.8mm
旋转台送进量：210mm/分
另外，还按照下述条件对本发明的包覆立铣刀4C～6C及以往包覆立铣刀4c～6c，进行合金钢的湿式高速高进刀量侧面切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SCM440的板材
切削速度：300m/min
轴向进刀量：18mm
径向进刀量：3mm
旋转台送进量：195mm/分
再者，还按照下述条件对本发明的包覆立铣刀7C、8C及以往包覆立铣刀7c、8c，进行合金钢的湿式高速高进刀量侧面切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SNCM439的板材
切削速度：290m/min
轴向进刀量：40mm
径向进刀量：6mm
旋转台送进量：100mm/分
对于任何一种湿式侧面切削加工试验(使用水溶性切削油)，都测定其刀刃部的外周刀刃后隙面摩耗宽度至变为使用寿命目标的0.1mm的切削长度，将其测定结果在表9、表10中分别示出。
Figure C0381924200281
实施例3
利用上述实施例2制造的直径为8mm(硬质基体C-1～C-3形成用)、直径为13mm(硬质基体C-4～C-6形成用)及直径为26mm(硬质基体C-7、C-8形成用)的三种圆杆烧结体，并通过磨削加工，从上述三种圆杆烧结体中分别制造出槽形成部的直径×长度分别为：4mm×13mm(硬质基体D-1～D-3)、8mm×22mm(硬质基体D-4～D-6)及16mm×45mm(硬质基体D-7、D-8)的尺寸、并且任何一个的螺旋角为：30度的2枚刃形状的硬质基体(钻头)D-1～D-8。
接着，对上述硬质基体(钻头)D-1～D-8的刀刃进行研磨，在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地，装入图1A、图1B所示的电弧离子镀装置中，在与上述实施例1相同的条件下进行蒸镀，形成：具有表11所示的目标组成的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向交替地相同、且以表11所示的目标间隔反复存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构；并为该表11所示的目标整体层厚的硬质包覆层，由此，分别制造出成为本发明包覆切削工具的本发明表面包覆超硬合金制钻头(以下称作本发明包覆钻头)的1D～8D。
另外，以比较为目的，把上述硬质基体(钻头)D-1～D-8的刀刃进行研磨，在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地装入图2所示的普通的电弧离子镀装置中，在与上述实施例1相同的条件下进行蒸镀，形成具有表12所示的目标组成及目标层厚且组成沿厚度方向实质上不变化的(Ti、Al、Zr)N层组成的硬质包覆层，借此，分别制造出作为以往包覆切削工具的以往表面包覆超硬合金制钻头(以下称作以往包覆钻头)1d～8d。
接着，对于上述本发明包覆钻头1D～8D以及以往包覆钻头1d～8d中的本发明包覆钻头1D～3D及以往包覆钻头1d～3d，按照下述条件对其进行铸铁的湿式高速高送进量的钻孔切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·FC300的板材
切削速度：200m/min
送进量：0.5mm/rev
孔深度：10mm
另外，还按照下述条件对本发明的包覆钻头4D～6D及以往包覆钻头4d～6d，进行合金钢的湿式高速高送进量的钻孔切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SCM440的板材
切削速度：175m/min
送进量：0.4mm/rev
孔深度：1.5mm
另外，还按照下述条件对本发明的包覆钻头7D、8D及以往包覆钻头7d、8d，进行合金钢的湿式高速高送进量的钻孔切削加工试验，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SNCM439的板材
切削速度：175m/min
送进量：0.5mm/rev
孔深度：30mm
对于任何一种湿式高速钻孔切削加工试验(使用水溶性切削油)，都测定其尖端刀刃后隙面摩耗宽度至0.3mm的钻孔加工数量，将其测定结果在表11、表12中分别示出。
Figure C0381924200311
[表12]
Figure C0381924200321
(表中，寿命源于刀刃处所产生的卷刃)
利用俄歇分光分析装置，对于上述结果所得到的构成作为本发明包覆切削工具的本发明包覆镶刃1A～10A、1B～6B、本发明包覆立铣刀1C～8C及本发明包覆钻头1D～8D的硬质包覆层中的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的组成；以及作为以往包覆切削工具的以往包覆镶刃1a～10a、1b～6b、以往包覆立铣刀1c～8c及以往包覆钻头1d～8d的硬质包覆层的组成进行测定时，显示出与各个目标组成基本相同的组成。
另外，用扫描型电子显微镜，对本发明包覆切削工具的硬质包覆层中的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点之间的间隔、其整体层厚以及以往包覆切削工具的硬质包覆层的厚度进行断面测定时，任何一种都显示出与目标值基本相同的值。
从表3～12所示的结果可以看出，硬质包覆层具有：有给定的高温硬度、耐热性以及高温强度的Al成分最高含有点和相对地有更好的强度与韧性的Al成分最低含有点沿厚度方向且隔开给定间隔反复交替地存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构的本发明包覆切削工具，即使在伴随高机械冲击的高进刀量或高送进量等强力切削条件下进行任意的各种钢或铸铁等高速切削加工的情况下，硬质包覆层也能发挥出良好的耐卷刃性，与此相比，硬质包覆层组成沿厚度方向基本上没有变化的(Ti，Al，Zr，)N层组成的以往包覆切削工具，由于在强力切削条件下的高速切削加工中上述硬质包覆层的强度及韧性不足的原因，会发生卷刃，显然，因此也导致了在比较短的时间就到达了使用寿命。
实施例4
作为原料粉末，预备任何一种具有1～3μm平均粒径的WC粉末，TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末，将这些原料粉末按照表13所示的配合组成配合，用球磨机以48小时湿式混合，干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为压粉体，将该压粉体在6Pa的真空中，在温度：1420℃、保持1小时的条件下烧结，烧结后，对刀刃部分施以R：0.05研磨加工，形成具有ISO规格·CNMG120412镶刃形状的WC基超硬合金制的硬质基体E-1～E-10。
另外，作为原料粉末，预备任何一种具有0.5～2μm平均粒径的TiCN(重量比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，将这些原料粉末按照表14所示的配合组成配合，用球磨机以72小时湿式混合，干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为压粉体，将该压粉体在2kPa的氮气气氛中，在温度：1520℃、保持1小时的条件下烧结，烧结后，对刀刃部分施以R：0.05研磨加工，形成具有ISO规格·CNMG120412镶刃形状的TiCN系金属陶瓷制的硬质基体F-1～F-6。
另外，作为原料粉末，预备任何一种具有0.5～4μm范围内的平均粒径的立方晶氮化硼(以下用c-BN表示)粉末、碳化钛(以下用TiC表示)粉末、氮化钛(以下用TiN表示)粉末、碳氮化钛(以下用TiCN表示)粉末、碳化钨(以下用WC表示)粉末、Al粉末、Ti与Al金属间化合物粉末的Ti3Al粉末与TiAl3粉末、以及氧化铝(用Al2O3表示)粉末，将这些原料粉末按照表15所示的配合组成配合，用球磨机以72小时湿式混合，干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为具有直径：50mm×厚度：1.5mm的尺寸的压粉体，接着，将该压粉体在压力：1Pa的真空气氛中，在温度：900～1300℃范围的给定温度下保持30分钟的条件下烧结，使其成为刀刃片用预备烧结体，把该预备烧结体在与为另外预备的Co：8质量％、其余组成为WC且有直径：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基超硬合金制支持片重合的状态下，装入普通的超高压烧结装置内，在普通条件下的压力：5Gpa、温度1200～1400℃范围内的给定温度下且保持时间：0.5小时的条件下，进行超高压烧结，用金刚石磨石对烧结后的上下面研磨，用金属丝放电加工装置将其分割为边长3mm的正三角形，进一步用具有质量％为Cu：30％、Zn：28％、Ni：2％、其余是Ag组成的成分的Ag合金钎料，在具有Co：5质量％、TaC：5质量％、其余是WC的组成及CIS规格TNGA160408形状(厚度：4.76mm×边长：16mm的正三角形)的WC基超硬合金制镶刃本体的钎焊部(拐角部)进行钎焊，并对其进行精加工研磨，形成c-BN基基烧结材料制的硬质基体G-1～G-6。
接着，分别将上述硬质基体E-1～E-10、F-1～F-6及G-1～G-6在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，装入在图2所示的普通的电弧离子镀装置内，另一方面，作为阴极电极(蒸发源)，安装具有对应于硬质包覆层目标的各种成分组成的Ti-Al-Zr-Y合金、Ti-Al-Zr-Ce合金及轰击洗涤用金属Ti。首先，对装置内进行排气，保持0.5Pa以下的真空，同时，用加热器将装置内加热到700℃后，对上述硬质基体施加-1000V的直流偏压电压，而且，让电流在上述金属Ti的阴极电极的与阳极电极之间以100A的电流流过，产生电弧放电，因此，对硬质基体表面进行Ti轰击洗涤。接着，将作为反应气体的氮气气体导入装置内，使其成为2Pa的反应气氛，同时，使施加到上述硬质基体的偏压电压下降为-50V，使150A的电流经过上述阴极电极与阳极电极之间流动，产生电弧放电，因此，在上述硬质基体的各个表面上形成具有表16所示金属元素的目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，借此，分别制造出本发明包覆镶刃1E～10E、1F～6F、1G～6G。
进一步，分别将上述硬质基体E-1～E-10、F-1～F-6及G-1～G-6在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，在图1A、图1B所示的电弧离子镀装置内的旋转台上沿着外周部的位置安装，将作为一侧的阴极电极的、具有各种成分组成的Al成分最高含有点形成用Ti-Al-Zr-Y合金、Ti-Al-Zr-Ce合金和另一侧阴极电极的Al成分最低含有点形成用Ti-Al-Zr-Y合金、Ti-Al-Zr-Ce合金合金夹着上述旋转台对峙地配置着，另外，也设置有轰击洗涤用金属Ti，首先，把装置内排气，保持0.5Pa以下的真空，同时，用加热器将装置内加热到500℃后，对一边在上述旋转台上自转一边旋转的硬质基体施加-1000V的直流偏压电压，而且，让电流在阴极电极的上述金属Ti与阳极电极之间以100A的电流流过，产生电弧放电，由此，对硬质基体表面进行T i轰击洗涤，接着，将作为反应气体的氮气气体导入装置内，使其成为2Pa的反应气氛，同时，对一边在上述旋转台上自转一边旋转的硬质基体施加-50V的直流偏压电压，而且使150A的电流分别经过对峙配置的各个阴极电极与阳极电极之间流动，产生电弧放电，而且，通过蒸镀，在上述硬质基体表面上形成：具有表17所示的金属元素目标组成的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向交替的相同、且以表17所示的目标间隔反复存在、而且从上述Al成分最高含有点向上述Al成分最低含有点以及从上述Al成分最低含有点向上述Al成分最高含有点的成分含量连续变化的成分浓度分布结构；并为该表17所示的目标整体层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，借此，分别制造出本发明的包覆镶刃11E～20E、7F～12F、7G～12G。
另外，以比较为目的，分别把该硬质基体E-1～E-10、F-1～F-6及G-1～G-6在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，分别装入图2所示的普通的电弧离子镀装置中，并且设置有作为阴极电极的具有各种成分组成的Ti-Al合金、Ti-Al-Si合金、Ti-Al-Y合金、Ti-Al-Zr合金、Ti-Al-V合金、Ti-Al-Nb合金、Ti-Al-Cr合金及轰击洗涤用金属Ti，对装置内排气，保持0.5Pa以下的真空，同时，用加热器将装置内加热到700℃后，对上述硬质基体施加-1000V的直流偏压电压，而且，让电流在上述金属Ti的阴极电极与阳极电极之间以100A的电流流过，产生电弧放电，对硬质基体表面进行Ti轰击洗涤后，将作为反应气体的氮气气体导入装置内，使其成为2Pa的反应气氛，同时，把对上述硬质基体施加的偏压电压降到-50V，让150A的电流在上述各种阴极电极与阳极电极之间流动，产生电弧放电，因此，在上述硬质基体各自的表面上，形成具有表18所示的金属元素目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，由此，制造出以往的包覆镶刃1e～10e、1f～6f、1g～6g。
对于上述结果所得到的各种包覆镶刃中的、本发明包覆镶刃1E～20E及以往包覆镶刃1e～10e，在将其安置在工具钢制成的车刀尖端部的状态下，按照下述条件对其进行合金钢的干式高速连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440圆杆
切削速度：400m/min
送进量：0.2mm/rev
进刀量：2mm
切削时间：5分
另外，还按照下述条件对其进行合金钢的干式高速高负载连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440圆杆
切削速度：400m/min
送进量：0.4mm/rev
进刀量：4mm
切削时间：5分钟
测定其刀刃的后隙面摩耗宽度，将该测定结果在表19中示出。
进一步，对于本发明包覆镶刃1F～12F及以往包覆镶刃1f～6f，按照下述条件进行合金钢的干式高速连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440圆杆
切削速度：450m/min
送进量：0.2mm/rev
进刀量：0.5mm
切削时间：5分
再者，还按照下述条件对其进行合金钢的干式高速高负载连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440的圆杆
切削速度：450m/min
送进量：0.3mm/rev
进刀量：1.5mm
切削时间：5分
测定其刀刃后隙面摩耗宽度。将其测定结果在表20中示出。
另外，对于本发明包覆镶刃1G～12G及以往包覆镶刃1g～6g，测定其刀刃后隙面摩耗宽度。将其测定结果在表21中示出。
还有，按照下述条件进行淬火钢的干式高速连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440圆杆的渗碳淬火钢(表面硬度：HRC60)
切削速度：400m/min
送进量：0.1mm/rev
进刀量：0.1mm
切削时间：5分
而且，还按照下述条件进行淬火钢的干式高速高负载连续切削试验，其中的条件是：
被切削材料：JIS·SCM440圆杆的渗碳淬火钢(表面硬度：HRC60)
切削速度：400m/min
送进量：0.2mm/rev
进刀量：0.2mm
切削时间：5分
测定其刀刃后隙面摩耗宽度。将其测定结果在表21中示出。
[表13]
Figure C0381924200381
[表14]
Figure C0381924200382
[表15]
Figure C0381924200391
[表16]
Figure C0381924200392
Figure C0381924200401
Figure C0381924200411
[表19]
Figure C0381924200421
[表20]
Figure C0381924200431
[表21]
实施例5
作为原料粉末，预备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径1.3μm的TaC粉末、平均粒径1.2μm的NbC粉末、平均粒径1.2μm的ZrC粉末、平均粒径2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径1.5μm的VC粉末、平均粒径1.0μm的(Ti，W)C粉末以及平均粒径1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别按照表22所示的配合组成配合，进一步加石蜡，在丙酮中用球磨机以50小时混合，减压干燥后，在100MPa压力下，挤压成形为给定形状的各种压粉体，将该压粉体在6Pa的真空气氛中，以7℃/分的升温速度升温到1370～1470℃的范围内的给定温度，在该温度下保持1小时后，在炉冷的条件下烧结，形成直径8mm、13mm及26mm的三种圆杆烧结体，进一步，经过磨削加工，并按照表22所示的组合，从上述三种圆杆烧结体中分别制造出刀刃部的直径×长度为：6mm×13mm、10mm×22mm及20mm×45mm，并且任一螺旋角都为30度的4枚刃四边形立铣刀形状的WC基超硬合金制硬质基体H-1～H-8。
接着，将上述硬质基体H-1～H-8在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地，装入图2所示的普通电弧离子镀装置中，在与上述实施例4相同的条件下，通过物理蒸镀，形成具有表23所示的金属元素目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，由此，分别制造出成为本发明包覆切削工具的本发明表面包覆立铣刀1H～8H。
另外，以比较为目的，把上述硬质基体H-1～H-8在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地装入图2所示的普通的电弧离子镀装置中，在与上述实施例4相同的条件下，进行物理蒸镀，形成具有表24所示的金属元素目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，由此，分别制造出作为以往包覆切削工具的以往表面包覆立铣刀1h～8h。
接着，对于上述本发明包覆立铣刀1H～8H以及以往包覆立铣刀1h～8h中的本发明包覆立铣刀1H～3H及以往包覆立铣刀1h～3h，并按照下述条件对其进行铸铁的湿式高速侧面加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·FC 300的板材
切削速度：250m/min
轴向进刀量：6mm
径向进刀量：1mm
旋转台送进量：600mm/min
另外，还按照下述条件对本发明的包覆立铣刀4H～6H及以往包覆立铣刀4h～6h，进行合金钢的湿式高速侧面加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SCM440的板材
切削速度：200m/min
轴向进刀量：10mm
径向进刀量：2mm
旋转台送进量：300mm/min
再者，还按照下述条件对本发明的包覆立铣刀7H、8H及以往包覆立铣刀7h、8h，进行合金钢的湿式高速侧面加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SNCM439的板材
切削速度：200m/min
轴向进刀量：20mm
径向进刀量：3mm
旋转台送进量：150mm/min
对于任何一种切削加工试验，都测定其刀刃部的外周刀刃后隙面摩耗宽度至变为使用寿命目标的0.1mm的切削长度，将其测定结果在表23、表24中分别示出。
Figure C0381924200461
Figure C0381924200471
Figure C0381924200481
实施例6
利用上述实施例5制造的直径为8mm、直径为13mm及直径为26mm的三种圆杆烧结体，并通过磨削加工，按照表25所示的组合，从上述三种圆杆烧结体中分别制造出槽形成部的直径×长度分别为：4mm×13mm、8mm×22mm及16mm×45mm、并且任何一个的螺旋角为：30度的2枚刃钻头形状的WC基超硬合金制的硬质基体I-1～I-8。
接着，对上述硬质基体I-1～I-8的刀刃进行研磨，在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，装入图2所示的普通电弧离子镀装置中，在与上述实施例4相同的条件下，通过物理蒸镀形成具有表26所示的金属元素目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，由此分别制造出成为本发明包覆切削工具的本发明包覆钻头1I～8I。
另外，以比较为目的，把上述硬质基体I-1～I-8的刀刃进行研磨，在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，同样地装入图2所示的普通的电弧离子镀装置中，在与上述实施例4相同的条件下，进行物理蒸镀，形成具有表27所示的金属元素目标组成及目标层厚的复合氮化物组成的硬质包覆层，借此分别制造出作为以往包覆切削工具的以往包覆钻头1i～8i。
接着，对于上述本发明包覆钻头1I～8I以及以往包覆钻头1i～8i中的本发明包覆钻头1I～3I及以往包覆钻头1i～3i，并按照下述条件对其进行铸铁的湿式高速钻孔加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·FC300的板材
切削速度：150m/min
送进量：0.2mm/rev
孔深度：8mm
另外，还按照下述条件对本发明的包覆钻头4I～6I及以往包覆钻头4i～6i，进行合金钢的湿式高速钻孔加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SCM440的板材
切削速度：150m/min
送进量：0.2mm/rev
孔深度：16mm
另外，还按照下述条件对本发明的包覆钻头7I、8I及以往包覆钻头7i、8i，进行合金钢的湿式高速钻孔加工试验(使用水溶性切削油)，其中的条件是：
被切削材料：平面尺寸：100mm×250mm，厚度：50mm的JIS·SNCM439的板材
切削速度：200m/min
送进量：0.3mm/rev
孔深度：30mm
对于任何一种加工试验，都测定其尖端刀刃面的后隙面摩耗宽度至0.3mm的钻孔加工数量，将其测定结果在表26、表27中分别示出。
Figure C0381924200511
Figure C0381924200521
Figure C0381924200531
利用俄歇分光分析装置，对于上述结果所得到的构成作为本发明包覆切削工具的本发明包覆镶刃1E～10E、1F～6F、1G～6G、本发明包覆立铣刀1H～8H和本发明包覆钻头1I～8I及作为以往包覆切削工具的以往包覆镶刃1e～10e、1f～6f、1g～6g、以往包覆立铣刀1h～8h和以往包覆钻头1i～8i的硬质包覆层的组成；以及构成作为本发明包覆切削工具的本发明包覆镶刃11E～20E、7F～12F、7G～12G的硬质包覆层中的Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的组成进行测定时，显示出与各个目标组成基本相同的组成。
另外，用扫描型电子显微镜，对本发明包覆切削工具的硬质包覆层整体层厚和Al成分最高含有点Al与成分最低含有点之间的间隔、以及以往包覆切削工具的硬质包覆层整体层厚进行断面测定时，任何一种都显示出与目标值基本相同的值。
从表13～24所示的结果可以看出，本发明包覆镶刃1E～20E、1F～12F、1G～12G、本发明包覆立铣刀1H～8H及本发明包覆钻头1I～8I，在任何高速条件下的切削加工中都显示出良好的耐摩耗性，而且刀刃的摩耗状况也正常，再者，本发明包覆镶刃11E～20E、7F～12F、7G～12G，即使在高速高负载的切削加工下，也不会发生卷刃等，能发挥良好的切削性能，与此相比，以往包覆镶刃1e～10e、1f～6f、1g～6g、以往包覆立铣刀1h～8h及以往包覆钻头1i～8i，由于其硬质包覆层的耐摩耗性不足或韧性不足的原因，任何一种都会在比较短的时间内达到使用寿命。
工业上的应用性
如上文所述，本发明的包覆切削工具，无论是在普通条件下的高速切削加工的情况下，还是在特别的高进刀量或高送进量等的高负载切削条件下进行各种钢或铸铁等的高速切削加工的情况下，都能发挥良好的耐卷刃性，长期显示出良好的耐摩耗性，因而，能充分地满足切削加工的省力化、节能化、进一步低成本化的要求。

Claims (9)

1、一种在切削条件下，硬质包覆层发挥耐卷刃性的包覆切削工具部件，在硬质基体表面上，经过物理蒸镀，以1～15μm的整体平均层厚形成Ti、Al及Zr的复合氮化物层组成的硬质包覆层，其特征是，
所述硬质包覆层具有Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向以给定间隔交替反复地存在、而且从所述Al成分最高含有点向所述Al成分最低含有点以及从所述Al成分最低含有点向所述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构；
而且，所述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N，其中，用原子比表示X为0.45～0.65、Y：0.01～0.15；
所述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N，其中，用原子比表示X为0.15～0.40、Y：0.01～0.15；且相邻的所述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm。
2、一种发挥耐摩耗性的包覆切削工具部件，通过物理蒸镀，在硬质基体的表面上，以1～10μm的平均层厚形成从Ti与Al的复合氮化物、复合碳氮化物中选择的硬质包覆层，其特征是，
所述硬质包覆层共存地含有相对于金属元素总量的原子比为：0.002～0.1的Zr及0.0005～0.05的Y、Ce的一种以上，
具有Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿所述硬质包覆层的厚度方向以给定间隔交替反复地存在、而且从所述Al成分最高含有点向所述Al成分最低含有点以及从所述Al成分最低含有点向所述Al成分最高含有点的Al成分含量连续变化的成分浓度分布结构，
所述Al成分最高含有点中含有相对金属元素总量的原子比为0.40～0.60的Al，所述Al成分最低含有点中含有相对金属元素总量的原子比为0.05～0.25的Al，而且，相邻的所述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm。
3、根据权利要求1或2记载的包覆切削工具部件，其特征是，所述硬质基体是碳化钨基超硬合金。
4、根据权利要求1或2记载的包覆切削工具部件，其特征是，所述硬质基体是碳氮化钛基金属陶瓷。
5、根据权利要求1或2记载的包覆切削工具部件，其特征是，所述硬质基体是立方晶氮化硼基烧结材料基体。
6、一种在切削工具硬质基体表面上形成切削条件下发挥耐卷刃性的硬质包覆层的方法，其特征是，
在电弧离子镀装置内的旋转台上，在朝半径方向上离开所述旋转台中心轴的位置可自由转动地安装切削工具基体；
使所述电弧离子镀装置内的反应气氛为氮气气氛，让夹着所述旋转台对峙配置的Al成分最高含有点形成用的Ti-Al-Zr合金的阴极电极及Al成分最低含有点形成用的Ti-Al-Zr合金的阴极电极和与这些阴极电极并列设置的各个阳极电极之间产生电弧放电；
并且，在所述旋转台上一边自转一边旋转的所述切削工具基体的表面上，通过物理蒸镀，以1～15μm的整体平均层厚，形成由Ti、Al及Zr的复合氮化物层组成的硬质包覆层；
该硬质包覆层具有Al成分最高含有点与Al成分最低含有点沿厚度方向以给定间隔交替反复地出现、且从所述Al成分最高含有点向所述Al成分最低含有点以及从所述Al成分最低含有点向所述Al成分最高含有点的Al含量连续变化的成分浓度分布结构，
并且，该硬质包覆层，其所述Al成分最高含有点满足分子式：(Ti1 -(X+Y)AlXZrY)N，其中，用原子比表示X为0.45～0.65、Y：0.01～0.15，
该硬质包覆层，其所述Al成分最低含有点满足分子式：(Ti1-(X+Y)AlXZrY)N，其中，用原子比表示X为0.15～0.40、Y：0.01～0.15；且相邻的所述Al成分最高含有点与Al成分最低含有点的间隔为0.01～0.1μm。
7、根据权利要求6记载的方法，其特征是，所述切削工具基体是碳化钨基超硬合金。
8、根据权利要求6记载的方法，其特征是，所述切削工具基体是碳氮化钛基金属陶瓷。
9、根据权利要求6记载的方法，其特征是，所述切削工具基体是立方晶氮化硼基烧结材料基体。
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