CN101678467A - 表面被覆切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面被覆切削刀具，其在高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等的高速切削加工中，发挥优异的耐破损性、耐磨损性。该表面被覆切削刀具在硬质基体、金属陶瓷基体、高速工具钢基体等的刀具基体表面上形成至少包括薄层A和薄层B的交替层压结构的硬质被覆层，薄层A由满足组成式[AlXCrYSiZ]N(以原子比计，为0.2≤X≤0.45、0.4≤Y≤0.75、0.01≤Z≤0.2、X+Y+Z＝1)的(Al，Cr，Si)N层构成，薄层B由满足[AlUTiVSiW]N(以原子比计，为0.05≤U≤0.75、0.15≤V≤0.94、0.01≤W≤0.1、U+V+W＝1)的(Al，Ti，Si)N层构成。

Description

表面被覆切削刀具
技术领域
本发明涉及硬质被覆层具备优异的高温硬度、高温韧性、高温强度、耐热塑性变形性，即使在用于例如高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等伴随有高热产生的同时，对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的切削加工的情况下，硬质被覆层也表现出优异的耐破损性和耐磨损性，长期发挥优异的刀具特性的表面被覆切削刀具(以下，称为被覆刀具)。
背景技术
通常，作为被覆刀具，已知有可转位刀片、钻头或微型钻头、立铣刀、整体滚刀和插齿刀等。可转位刀片，装卸自如地安装在车刀的顶端部来用于各种钢或铸铁等工件的车削加工或刨削加工；钻头或微型钻头，用于上述工件的钻孔切削加工等；立铣刀，用于上述工件的平面铣削加工、槽加工或台阶加工等；整体滚刀、插齿刀，用于上述工件的齿形的切齿加工等。
而且，作为具体的被覆刀具，例如已知通过在由碳化钨(以下，由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下，由TiCN表示)基金属陶瓷、高速工具钢(以下，称为高速钢)构成的刀具基体的表面上，设置包括由组成式：[AlXCrYSiZ]N表示时，满足0.75≤X≤0.95、0.05≤Y≤0.25、X+Y+Z＝1(其中，X、Y、Z都为原子比)的Al、Cr和Si的复合氮化物层(以下，由(Al，Cr，Si)N层表示)的硬质被覆层至少1层以上，实现被覆刀具的耐热性及耐磨损性的改善。
此外已知通过在上述刀具基体的表面上设置包括由组成式：[AlUTiVSiW]N表示时，满足0.05≤U≤0.75、0.01≤W≤0.10、U+V+W＝1)(其中，U、V、W都为原子比)的Al、Ti和Si的复合氮化物层(以下，由(Al，Ti，Si)N层表示)的硬质被覆层，实现被覆刀具的耐氧化性及耐磨损性的改善。
另外已知上述以往的被覆刀具如下制造：例如在图2的简要说明图所示的作为物理气相沉积装置的一种的电弧离子镀装置中装入上述刀具基体，在将装置内例如加热到500℃的温度的状态下，在具有对应于气相沉积形成的硬质被覆层的种类的成分组成的阴极电极(蒸发源)与阳极电极之间，例如在电流：90A的条件下产生电弧放电，同时向装置内导入作为反应气体的氮气形成2Pa的反应气氛，另一方面，对于上述刀具基体，例如在外加-100V的偏置电压的条件下，在上述刀具基体的表面上气相沉积形成上述硬质被覆层，由此制造上述以往的被覆刀具。
专利文献1：日本专利公开2006-175569号公报
专利文献2：日本专利第2793773号说明书
近年切削加工装置的高性能化显著，另一方面对于切削加工强烈要求省力化及节能化、进而低成本化，随之切削加工有日益高速化的趋势，而上述以往的被覆刀具的现状为，将以往的被覆刀具用于钢或铸铁等的通常切削条件下的切削加工时，不会产生特别的问题，但将以往的被覆刀具用于例如高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等伴随有高热产生，且对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的切削加工时，由于硬质被覆层的韧性不充分或者因热塑性变形引起的不均匀磨损的产生等而不能抑制崩刃、破损的产生，此外也加速磨损，因此导致使用寿命较短。
因此，本发明人从上述观点出发，为了开发在高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等伴随有高热产生，且对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的切削加工条件下，硬质被覆层发挥优异的耐破损性和耐磨损性的被覆刀具，而着眼于构成上述以往的被覆刀具的硬质被覆层的层形成材料及其结构进行了研究，结果得到了如下发现。
(a)构成上述以往的被覆刀具(参照专利文献1)的硬质被覆层的(Al，Cr，Si)N层中的Al成分具有提高高温硬度的作用，该(Al，Cr，Si)N层中的Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用的同时，具有以共存含有Al及Cr的状态提高高温耐氧化性的作用，进而该(Al，Cr，Si)N层中的Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用，但在伴随有高热产生，且对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等苛刻的切削条件下，高温韧性、高温强度不充分，因此这易导致崩刃、破损等的产生，相反地即使欲增加Cr含有比例来实现高温韧性、高温强度的改善，也由于Al含有比例的相对减少而耐磨损性劣化，因此在包括(Al，Cr，Si)N层的硬质被覆层的耐崩刃性、耐破损性的抑制及提高方面有限。
(b)另一方面，构成上述以往的被覆刀具(参照专利文献2)的硬质被覆层的(Al，Ti，Si)N层中的Al成分、Si成分具有与上述同样的作用，而且，Ti成分具有进一步提高高温韧性、高温强度的作用，因此即使在上述高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等苛刻的切削条件下，包括上述(Al，Ti，Si)N层的硬质被覆层也发挥优异的耐崩刃性、耐破损性，但另一方面，由于高温硬度、耐热塑性变形性不充分，所以耐磨损性差。
(c)因此，将由规定组成且规定层厚的上述(a)的(Al，Cr，Si)N层形成的薄层A和同样地由规定组成且规定层厚的上述(b)的(Al，Ti，Si)N层形成的薄层B交替层压构成硬质被覆层时，包括薄层A和薄层B的交替层压结构的硬质被覆层通过使各薄层在规定的组成范围内、且使薄层的层厚在规定范围内，作为硬质被覆层整体，不会损害薄层A具有的优异的耐磨损性，而兼具薄层B具有的优异的高温韧性、高温强度，因此形成有包括薄层A和薄层B的交替层压结构的硬质被覆层的被覆刀具，即使在用于伴随有高热产生，且对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等苛刻的切削条件下的切削加工时，也表现出优异的耐崩刃性、耐破损性及耐磨损性。
发明内容
此发明是基于上述发现而完成的，本发明的技术方案为：
(1)一种表面被覆切削刀具(被覆刀具)，在刀具基体表面上形成有硬质被覆层，其特征在于，
硬质被覆层至少包括薄层A和薄层B的交替层压结构，薄层A和薄层B分别具有0.01～0.1μm的层厚，且薄层A和薄层B具有1～10μm的总层厚，进一步地，
(a)薄层A为由组成式[AlXCrYSiZ]N表示时，
满足0.2≤X≤0.45、0.4≤Y≤0.75、0.01≤Z≤0.2、X+Y+Z＝1(其中，X、Y、Z都为原子比)的Al、Cr和Si的复合氮化物层((Al，Cr，Si)N层)，
(b)薄层B为由组成式[AlUTiVSiW]N表示时，
满足0.05≤U≤0.75、0.15≤V≤0.94、0.01≤W≤0.1、U+V+W＝1(其中，U、V、W都为原子比)的Al、Ti和Si的复合氮化物层((Al，Ti，Si)N层)。
(2)上述(1)所述的表面被覆切削刀具(被覆刀具)，其特征在于，硬质被覆层具有包括薄层A和薄层B的交替层压结构的上部层、夹在该上部层与刀具基体表面之间形成的底层，该底层具有0.5～10μm的层厚，具有满足上述薄层A的组成式的组成。
(3)上述(1)所述的表面被覆切削刀具(被覆刀具)，其特征在于，硬质被覆层具有包括薄层A和薄层B的交替层压结构的上部层、夹在该上部层与刀具基体表面之间形成的底层，该底层具有0.5～10μm的层厚，具有满足上述薄层B的组成式的组成。
(4)上述(1)～(3)中的任意一项所述的表面被覆切削刀具(被覆刀具)，其特征在于，表面被覆切削刀具(被覆刀具)为将高速工具钢作为刀具基体的切齿刀具。
(5)上述(1)～(3)中的任意一项所述的表面被覆切削刀具(被覆刀具)，其特征在于，表面被覆切削刀具(被覆刀具)为将高速工具钢作为刀具基体的立铣刀。
(6)上述(1)～(3)中的任意一项所述的表面被覆切削刀具(被覆刀具)，其特征在于，表面被覆切削刀具(被覆刀具)为将碳化钨基硬质合金作为刀具基体的立铣刀或者钻头。
接着，对于本发明的被覆刀具的硬质被覆层，对如上所述限定数值的理由进行说明。
(a)薄层A
由(Al，Cr，Si)N层形成的薄层A中的Al成分具有提高高温硬度的作用，该薄层A中的Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用的同时，具有以共存含有Al和Cr的状态提高高温耐氧化性的作用，而且该薄层A中的Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用。而且，表示Al的含有比例的X值(原子比)以在Cr与Si的总量中所占的比例计小于0.2时，不能确保最低限度的高温硬度及高温耐氧化性，而导致磨损加速，另一方面，若该X值超过0.45，则高温韧性、高温强度降低，导致崩刃、破损的产生，因此将X值规定为0.2～0.45。此外，表示Cr的含有比例的Y值(原子比)以在Al与Si的总量中所占的比例计小于0.4时，不能确保最低限度所必需的高温韧性、高温强度，因此不能抑制崩刃、破损的产生，另一方面若该Y值超过0.75，则由于Al含有比例相对减少而加速磨损，因此将Y值规定为0.4～0.75。进一步地，表示Si的含有比例的Z值(原子比)以在Al与Cr的总量中所占的比例计小于0.01时，不能期待通过耐热塑性变形性的改善实现的耐磨损性提高，另一方面若该Z值超过0.2，则在耐磨损性提高效果方面存在降低趋势，因此将Z值规定为0.01～0.2。
而且，对于上述X、Y、Z，特别优选的范围为0.35≤X≤0.45、0.4≤Y≤0.55、0.03≤Z≤0.10。
(b)薄层B
构成与薄层A的交替层压结构的由(Al，Ti，Si)N层形成的薄层B可以说是为了补充薄层A中不充分的特性(高温韧性及高温强度)而设置的层。
如上所述，薄层A特别是通过含有Al成分、Si成分而具备优异的耐磨损性，进一步地，在含有Cr成分时，保持规定的耐崩刃性、耐破损性，但为了在伴随有高热产生，且对高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工等的切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的苛刻的切削条件下耐使用，对薄层A要求进一步优异的高温韧性、高温强度，为了确保这些特性而有必要使薄层A含有更多的Cr，但若如此，则薄层A中的Al、Si的含有比例不得不减少，此时，薄层A的高温硬度及高温耐氧化性不充分，进而导致耐磨损性的降低，因此不能实现薄层A中的Cr含有比例的进一步增加。
因此，在本发明中，通过将由(Al，Ti，Si)N层形成的薄层B与上述薄层A交替层压，形成包括薄层A和薄层B的交替层压结构的硬质被覆层，不会损害薄层A具有的优异的高温硬度、耐热塑性变形性，而通过邻接的薄层B具备的优异的高温韧性、高温强度补充薄层A中不充分的高温韧性、高温强度，从而作为硬质被覆层整体发挥优异的耐崩刃性、耐破损性、耐磨损性。
薄层B的组成式中的Al成分、Si成分的作用效果虽然与薄层A的情况相同，但表示Al的含有比例的U值(原子比)小于0.05，或者表示Si的比例的W值(原子比)小于0.01时，不能确保最低限度所必需的规定的高温硬度、高温耐氧化性、耐热塑性变形性，因此导致耐磨损性降低，此外U值超过0.75时，由于Ti成分含有比例相对减少，不能期待通过添加Ti成分实现的高温韧性、高温强度改善效果，此外，若W值超过0.1，则在耐磨损性提高作用方面存在降低趋势。因此，将表示Al的含有比例的U值规定为0.05～0.75，此外将表示Si的含有比例的W值规定为0.01～0.1。此外，表示Ti的含有比例的V值(原子比)小于0.15时，不能期待进一步优异的高温韧性、高温强度的提高效果，另一方面V值超过0.94时，由于Al成分、Si成分的含有比例相对减少，不能确保最低限度所必需的高温硬度及高温耐氧化性，因此将表示Ti成分的含有比例的V值规定为0.15～0.94。
而且，对于上述U、V、W，特别优选的范围为0.45≤U≤0.55、0.4≤V≤0.5、0.03≤W≤0.07。
(c)层厚
薄层A、薄层B各自的层厚小于0.01μm时，不仅难以将各薄层明确地形成为规定组成，而且不能充分发挥通过薄层A实现的耐磨损性提高效果、通过薄层B实现的高温韧性改善效果，另一方面，薄层A、薄层B各自的层厚超过0.1μm时，层内局部存在各薄层具有的缺点，即若为薄层A则局部存在韧性不充分、强度不充分，此外若为薄层B则局部存在耐磨损性不充分，有可能导致作为硬质被覆层整体的特性降低，因此将薄层A、薄层B各自的层厚规定为0.01～0.1μm。
即，薄层B是为了补充薄层A具有的特性中的不充分的特性而设置的，若薄层A、薄层B各自的层厚在0.01～0.1μm的范围内，则包括薄层A和薄层B的交替层压结构的硬质被覆层，就不会损害优异的高温硬度、高温耐氧化性、耐热塑性变形性，而如具备优异的高温韧性、高温强度的一层硬质被覆层那样发挥作用，但若薄层A、薄层B的层厚超过0.1μm，则薄层A的韧性不充分、强度不充分显著，此外薄层B的耐磨损性不充分显著。
此外，包括薄层A和薄层B的交替层压结构的层(上部层)在其总层厚小于1μm时不能发挥优异的特性，此外若总层厚超过10μm，则易产生崩刃、破损，所以将包括薄层A和薄层B的交替层压结构的层(上部层)的总层厚规定为1～10μm，优选规定为1～5μm。
(d)底层
若在刀具基体表面上例如通过物理气相沉积直接交替地层压形成薄层A、薄层B，则在层内产生残余压缩应力，若在进一步苛刻的切削加工条件下使用设置有这种硬质被覆层的被覆刀具，则由于该压缩残余应力而刀具基体-硬质被覆层间的粘合力变得不稳定。因此，在这种情况下，有必要预先进一步提高刀具基体表面与交替层压结构的硬质被覆层之间的附着强度，作为用于达成此目的的技术方案，在刀具基体表面上形成底层来提高附着强度是有效的。特别是在技术方案(2)、(3)涉及的本发明中，通过硬质被覆层由包括薄层A和薄层B的交替层压结构的上部层和夹在该上部层与刀具基体表面之间形成的底层形成，且使底层具有0.5～10μm的层厚，形成为与薄层A或薄层B相同的组成，由此改善刀具基体-硬质被覆层间的粘合力，即使在进一步苛刻的切削条件下使用时，也确认不会产生硬质被覆层的剥离、脱落，而进行稳定的切削。
而且，底层的层厚小于0.5μm时，不能得到粘合力提高效果，另一方面，若层厚超过10μm，则由于残余压缩应力的蓄积而易产生裂纹，不能确保稳定的粘合力，因此将底层的层厚规定为0.5～10μm，优选规定为2～6μm。
(e)刀具基体
作为被覆刀具的刀具基体可使用WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、高速工具钢(高速钢)等迄今已知的各种基体。
在这种各类刀具基体上例如通过物理气相沉积形成硬质被覆层，但为了进一步提高基体-硬质被覆层间的粘合强度，优选预先将刀具基体的表面粗糙度设为JISRzl.6μm以下。
而且，在本发明中，也可以以使用、未使用等的辨别作为目的，在被覆刀具的最表面上例如设置TiN层(金色)等着色层，其厚度在0.5μm以下时是充分的。
本发明的表面被覆切削刀具通过硬质被覆层至少以由(Al，Cr，Si)N层形成的薄层A和由(Al，Ti，Si)N层形成的薄层B的交替层压结构的方式构成，具备优异的高温硬度、高温韧性、高温强度、耐热塑性变形性，此外，通过进一步设置与薄层A或薄层B相同的组成的底层作为下部层，也提高了附着强度，因此即使特别是伴随有高热产生，且对切削刃施加大的冲击性、机械性负荷的高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工中，硬质被覆层也发挥优异的高温硬度、高温韧性、高温强度、耐热塑性变形性，从而不会产生崩刃、破损、不均匀磨损、剥离，而长期发挥优异的耐破损性及优异的耐磨损性。
附图说明
图1为表示用于形成本发明的被覆刀具的硬质被覆层的电弧离子镀装置，图1的(a)是简要俯视图，图1的(b)是简要主视图。
图2为通常的电弧离子镀装置的简要说明图。
图3为整体滚刀的简要立体图。
图4为盘形插齿刀的简要立体图。
具体实施方式
接着通过实施例对本发明的被覆刀具进行更具体的说明。
实施例1
从材质由JIS·SKH51及JIS·SKH55的高速工具钢形成的具有直径：90mm×长度：130mm的尺寸的原材料，通过机械加工制造具有外径：85mm×长度：100mm的整体尺寸，且具有四条左扭曲×16槽的形状的图3的简要立体图所示的高速钢切齿刀具主体基体(整体滚刀)。
(a)接着，分别对上述两种材质的高速钢切齿刀具主体基体(整体滚刀)在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态沿着外周部装配于图1所示的电弧离子镀装置内的转台上的从中心轴在半径方向上距离规定距离的位置上，夹着上述转台对置作为一侧的阴极电极(蒸发源)的分别具有与表1所示的目标组成对应的成分组成的薄层A形成用Al-Cr-Si合金、作为另一侧的阴极电极(蒸发源)的同样地分别具有与表1所示的目标组成对应的成分组成的薄层B形成用Al-Ti-Si合金(两种阴极电极的情况下，可将薄层A或薄层B形成用阴极电极的一方兼用作底层形成用阴极电极。而且，作为底层形成用的专用阴极电极当然也可以另外使用第三个电极)。
(b)首先，对装置内进行排气，保持在0.1Pa以下的真空的同时，用加热器将装置内加热至400℃后，对在上述转台上自转的同时旋转的切齿刀具主体基体外加-800V的直流偏置电压，且在轰击洗涤用电极(例如，薄层A形成用Al-Cr-Si合金)与阳极电极之间流通100A的电流而产生电弧放电，从而轰击洗涤切齿刀具主体基体表面。
(c)向装置内导入作为反应气体的氮气形成3Pa的反应气氛的同时，对在上述转台上自转的同时旋转的切齿刀具主体基体外加-35～-45V的直流偏置电压，且在上述薄层A形成用Al-Cr-Si合金与阳极电极之间流通100A的电流而产生电弧放电，从而在上述高速切齿刀具主体基体的表面上气相沉积形成表1所示的目标组成及目标层厚的底层(例如，也可以为与薄层A、薄层B的任意一层相同的组成)。而且，在不形成底层时，上述(c)的工序当然是不需要的。
(d)接着，向装置内导入作为反应气体的氮气形成2Pa的反应气氛的同时，对在上述转台上自转的同时旋转的切齿刀具主体基体外加-25～-35V的直流偏置电压，在该状态下，在薄层B形成用Al-Ti-Si合金的阴极电极与阳极电极间流通50～200A范围内的规定的电流而产生电弧放电，在上述切齿刀具主体基体上的底层上形成规定层厚的薄层B，形成上述薄层B后停止电弧放电，取而代之，在上述薄层A形成用Al-Cr-Si合金的阴极电极与阳极电极间同样地流通50～200A范围内的规定的电流而产生电弧放电，形成规定层厚的薄层A后，停止电弧放电(若底层为与薄层B相同的组成的层，则也可以从薄层A的形成开始)，再次交替地重复进行通过上述薄层B形成用Al-Ti-Si合金的阴极电极与阳极电极间的电弧放电形成薄层B、和通过上述薄层A形成用Al-Cr-Si合金的阴极电极与阳极电极间的电弧放电形成薄层A。
通过上述(a)～(d)的顺序，在上述高速钢切齿刀具主体基体的表面上沿着层厚方向气相沉积形成表1所示的目标组成及目标层厚的底层、同样地气相沉积形成包括表1所示的目标组成及目标层厚的薄层A和薄层B的交替层压的上部层，由此分别制造本发明被覆高速钢切齿刀具1～8。
而且，对本发明被覆高速钢切齿刀具1、5不设置底层。
此外，为了进行比较，对上述两种材质的高速钢切齿刀具主体基体在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态分别装配到图2所示的电弧离子镀装置中，装配作为阴极电极(蒸发源)的分别具有与表2所示的目标组成对应的成分组成的Al-Cr-Si合金(Al-Ti-Si合金)，首先，对装置内进行排气，保持在0.1Pa以下的真空的同时，用加热器将装置内加热至400℃后，对上述切齿刀具主体基体外加-800V的直流偏置电压，且在阴极电极的上述Al-Cr-Si合金(或者Al-Ti-Si合金)与阳极电极之间流通100A的电流而产生电弧放电，从而用上述Al-Cr-Si合金(或者Al-Ti-Si合金)轰击洗涤切齿刀具主体基体表面，接着，向装置内导入作为反应气体的氮气形成3Pa的反应气氛的同时，将外加在上述切齿刀具主体基体上的偏置电压降低至-35～-45V，在上述Al-Cr-Si合金(或者Al-Ti-Si合金)的阴极电极与阳极电极之间产生电弧放电，从而在上述高速钢切齿刀具主体基体的表面上气相沉积形成包括具有表2所示的目标组成及目标层厚的单相结构的(Al，Cr，Si)N层的硬质被覆层(或者包括具有表2所示的目标组成及目标层厚的单相结构的(Al，Ti，Si)N层的硬质被覆层)，由此分别制造被覆高速钢切齿刀具1～8(以下称为比较被覆高速钢切齿刀具1～8)。
接着，使用上述本发明被覆高速钢切齿刀具1～8及比较被覆高速钢切齿刀具1～8，对材质为JIS·SCr420H的工件，以
切削速度(旋转速度)：250m/min、
进给量：2.5mm/rev、
加工方式：攀移，无偏移，干燥(吹气)
的条件通过高速切齿加工(而且包括上述工件的齿轮的加工时的切削速度通常为200m/min)进行具有模数：1.75，压力角：17.5度，齿数：48，螺旋角：25度左扭曲，齿宽：50mm的尺寸及形状的齿轮的加工，
对后刀面磨损宽度达到0.2mm的齿轮加工数进行测定。
将该测定结果分别示于表1、2。
实施例2
此外，作为高速钢切齿刀具主体，同样地从材质由JIS·SKH51及JIS·SKH55的高速工具钢形成的具有外径：105mm×厚度：22mm的尺寸的原材料，通过机械加工制造具有节圆直径：100mm×厚度：18mm的整体尺寸，且具有刀具齿数：50的形状的图4的简要立体图所示的盘形插齿刀主体基体(JIS·B·4356记载的100形)。
接着，对上述高速钢切齿刀具主体(插齿刀)基体的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图1所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，沿着层厚方向气相沉积形成表1所示的目标组成及目标层厚的底层、同样地气相层积形成包括表1所示的目标组成及目标层厚的薄层A和薄层B的交替层压的上部层，由此分别制造本发明被覆高速钢切齿刀具9～16。
而且，对本发明被覆高速钢切齿刀具9、13不设置底层。
此外，为了进行比较，对上述高速钢切齿刀具主体(插齿刀)基体的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图2所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，沿着层厚方向气相沉积形成包括具有表2所示的目标组成及目标层厚的单相结构的(Al，Cr，Si)N层的硬质被覆层(或者具有表2所示的目标组成及目标层厚的单相结构的(Al，Ti，Si)N层)，由此分别制造被覆切齿刀具9～16(以下称为比较被覆高速钢切齿刀具9～16)。
接着，使用上述本发明被覆高速钢切齿刀具9～16及比较被覆高速钢切齿刀具9～16，对材质为JIS·SCr420H的工件，以
冲程数：1200冲程/min、
圆周进给量：0.3mm/冲程、
半径进给量：0.03mm/冲程
的条件通过高速切齿加工(而且，包括上述工件的齿轮的加工时的冲程数通常为800冲程/min)进行具有模数：2，压力角：20度，齿数：15，齿宽：22.5mm的尺寸及形状的齿轮的加工，
对后刀面磨损宽度达到0.2mm的齿轮加工数进行测定。
将该测定结果分别示于表1、2。
而且，在表1、2、4～9中，作为目标组成，以原子比表示Al成分、Cr成分、Ti成分及Si成分的含有比例。
[表1]
[表2]
Figure G2008800184243D00141
通过使用透射型电子显微镜的能量分散型X射线分析法对构成本发明被覆高速钢切齿刀具1～16的硬质被覆层的底层、薄层A及薄层B、以及比较被覆高速钢切齿刀具1～16的硬质被覆层的组成进行测定后可知，分别表现为与目标组成实质上相同的组成。
此外，通过透射型电子显微镜对上述硬质被覆层的各结构层的层厚进行剖面测定后可知，都表现为与目标层厚实质上相同的平均值(5个部位的平均值)。
由表1、2所示的结果可知，本发明被覆高速钢切齿刀具的硬质被覆层由薄层A和薄层B的交替层压或者进而还有底层构成，硬质被覆层兼备优异的高温硬度、耐热塑性变形性的同时，兼具优异的高温韧性、高温强度，所以即使在伴随有高的放热，且施加大的冲击性、机械性负荷的高速切齿加工条件下进行时，也不会产生崩刃、破损，而发挥优异的耐磨损性，与此相对地，硬质被覆层包括单相结构的(Al，Cr，Si)N层或者(Al，Ti，Si)N层的比较被覆高速钢切齿刀具在上述高速切齿加工条件下，特别是由于因韧性不充分而产生破损、崩刃或者耐磨损性差，因此使用寿命较短。
实施例3
作为原料粉末，准备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、具有平均粒径：0.8μm的微粒WC粉末、具有平均粒径：1.3μm的TaC粉末、具有平均粒径：1.2μm的NbC粉末、具有平均粒径：1.2μm的ZrC粉末、具有平均粒径：2.3μm的Cr3C2粉末、具有平均粒径：1.5μm的VC粉末、具有平均粒径：1.0μm的(Ti，W)C[以质量比计、为TiC/WC＝50/50]粉末、及具有平均粒径：1.8μm的Co粉末，分别以表3所示的配合组成配合这些原料粉末，进一步加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以100MPa的压力加压成型为规定形状的各种压坯，将这些压坯在6Pa的真空气氛中以7℃/分钟的升温速度升温至1370～1470℃范围内的规定的温度，在该温度下保持1小时后，在炉冷的条件下烧结，形成直径为8mm、13mm、及26mm的三种硬质基体形成用圆棒烧结体，进一步由上述三种圆棒烧结体通过研磨加工按表3所示的组合分别制造切削刃部的直径×长度分别为6mm×13mm、10mm×22mm、及20mm×45mm的尺寸，以及都具有螺旋角30度的四片刀刃正方形形状的WC基硬质合金制的硬质立铣刀1～11。
接着，对这些硬质立铣刀1～8的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图1所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，气相沉积形成表4所示的目标组成及目标层厚的下部层、同样地沿着层厚方向气相沉积形成包括表4所示的目标组成及目标层厚的薄层A和薄层B的交替层压的上部层，由此制造作为本发明表面被覆切削刀具的本发明表面被覆硬质制立铣刀(以下称为本发明被覆硬质立铣刀)1～11。
而且，对本发明被覆硬质立铣刀1、5、9不设置底层。
此外，为了进行比较，对上述硬质立铣刀1～8的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图2所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，同样地气相沉积具有表5所示的目标组成及目标层厚的单相结构的硬质被覆层，由此制造比较表面被覆硬质制立铣刀(以下称为比较被覆硬质立铣刀)1～11。
(a)接着，在上述本发明被覆硬质立铣刀1～11及比较被覆硬质立铣刀1～11中，
(a1)对本发明被覆硬质立铣刀1～4及比较被覆硬质立铣刀1～4在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SKD61的板材、
切削速度：150m/min、
槽深度(切深)：1.0mm、
工作台进给量：1000mm/分钟
的条件下进行模具钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为120m/min)，
(a2)对本发明被覆硬质立铣刀5～8及比较被覆硬质立铣刀5～8在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SCM440的板材、
切削速度：160m/min、
槽深度(切深)：1.0mm、
工作台进给量：1200mm/分钟
的条件下进行合金钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为100m/min)，
(a3)对本发明被覆硬质立铣刀9～11以及比较被覆硬质立铣刀9～11在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SKD11的板材、
切削速度：100m/min、
槽深度(切深)：1.0mm、
工作台进给量：600mm/分钟
的条件下进行冷模具钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为50m/min)，
在上述(a1)～(a3)中的任意一种沟槽切削加工试验中，对切削刃部的外周刃的后刀面磨损宽度达到为使用寿命的基准的0.1mm的切削槽长度进行测定，将其测定结果分别示于表4、表5。
[表3]
Figure G2008800184243D00171
[表4]
Figure G2008800184243D00181
[表5]
Figure G2008800184243D00191
实施例4
准备直径为8mm、13mm、及26mm的三种尺寸的高速工具钢(JIS·SKH55)原材料，由该原材料通过机械加工分别制造切削刃部的直径×长度分别为6mm×13mm、10mm×22mm、及20mm×45mm的尺寸，以及都具有螺旋角30度的四片刀刃正方形形状的高速钢立铣刀1～9。
而且，高速钢立铣刀1～3、4～6、7～9的尺寸、形状分别与实施例3所述的上述硬质立铣刀1～4、5～8、9～11的尺寸、形状相同。
接着，对这些高速钢立铣刀1～9的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图1所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，气相沉积形成表6所示的目标组成及目标层厚的下部层、同样地沿着层厚方向气相沉积形成包括表6所示的目标组成及目标层厚的薄层A和薄层B的交替层压的上部层，由此分别制造作为本发明表面被覆切削刀具的本发明表面被覆高速钢立铣刀(以下称为本发明被覆高速钢立铣刀)1～9。
而且，对本发明被覆高速钢立铣刀1、4、7不设置底层。
此外，为了进行比较，对上述高速钢立铣刀1～9的表面在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图2所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，同样地气相沉积具有表7所示的目标组成及目标层厚的单相结构的硬质被覆层，由此分别制造比较表面被覆高速钢立铣刀(以下称为比较被覆高速钢立铣刀)1～9。
(b)接着，在本发明被覆高速钢立铣刀1～9及比较被覆高速钢立铣刀1～9中，
(b1)对本发明被覆高速钢立铣刀1～3及比较被覆高速钢立铣刀1～3在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·S55C的板材、切削速度：60m/min、
槽深度(切深)：6mm、
工作台进给量：400mm/分钟
的条件下进行碳钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为30m/min)，
(b2)对本发明被覆高速钢立铣刀4～6及比较被覆高速钢立铣刀4～6在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SKD61的板材、
切削速度：50m/min、
槽深度(切深)：10mm、
工作台进给量：400mm/分钟
的条件下进行模具钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为25m/min)，
(b3)对本发明被覆高速钢立铣刀7～9及比较被覆高速钢立铣刀7～9在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SCM440的板材、
切削速度：50m/min、
槽深度(切深)：20mm、
工作台进给量：350mm/分钟
的条件下进行合金钢的沟槽高速干式切削加工试验(通常的切削速度为25m/min)，
在上述(b1)～(b3)中的任意一种沟槽切削加工试验中，对切削刃部的外周刃的后刀面磨损宽度达到为使用寿命的基准的0.1mm的切削槽长度进行测定，将其测定结果分别示于表6、表7。
[表6]
Figure G2008800184243D00221
[表7]
Figure G2008800184243D00231
通过使用透射型电子显微镜的能量分散型X射线分析法对构成实施例3、实施例4的本发明被覆硬质立铣刀1～11、本发明被覆高速钢立铣刀1～9的硬质被覆层的包括薄层A及薄层B的交替层压结构的上部层或者进而还有底层、以及比较被覆硬质立铣刀1～11、比较被覆高速钢立铣刀1～9的硬质被覆层的组成进行测定后可知，分别表现为与目标组成实质上相同的组成。
此外，通过透射型电子显微镜对上述硬质被覆层的各结构层的层厚进行剖面测定后可知，都表现为与目标层厚实质上相同的平均值(5个部位的平均值)。
由表4～表7所示的结果可知，本发明被覆硬质立铣刀、本发明被覆高速钢立铣刀的硬质被覆层由薄层A和薄层B的交替层压结构或者进而底层构成，硬质被覆层兼具优异的高温硬度、耐热塑性变形性的同时，兼具优异的高温韧性、高温强度，所以即使在伴随有高的放热，且施加大的冲击性、机械性负荷的高速铣削加工中也不会产生崩刃、破损，而发挥优异的耐磨损性，与此相对地，硬质被覆层包括单相结构的(Al，Cr，Si)N层或者(Al，Ti，Si)N层的比较被覆硬质立铣刀、比较被覆高速钢立铣刀在上述高速铣削加工条件下，特别是由于因韧性不充分而产生破损、崩刃或者耐磨损性差，因此使用寿命较短。
实施例5
使用在上述实施例3中制造的直径为6mm(硬质立铣刀用原料粉末的基体代号为A～C)、10mm(硬质立铣刀用原料粉末的基体代号为D～F)、及20mm(硬质立铣刀用原料粉末的基体代号为G、H)的三种圆棒烧结体，由该三种圆棒烧结体通过研磨加工分别制造都具有螺旋角30度的四片刀刃形状，且槽形成部的直径×长度分别为4mm×13mm的WC基硬质合金制的硬质钻头1～4、8mm×22mm的WC基硬质合金制的硬质钻头5～8、及16mm×45mm的WC基硬质合金制的硬质钻头9～11。
接着，对这些硬质钻头1～11的切削刃进行珩磨，且在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图1所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，气相沉积形成表8所示的目标组成及目标层厚的下部层、同样地沿着层厚方向气相沉积形成包括表8所示的目标组成及目标层厚的薄层A和薄层B的交替层压的上部层，由此分别制造本发明表面被覆硬质制钻头(以下称为本发明被覆硬质钻头)1～11。
而且，对本发明被覆硬质钻头1、5、9不设置底层。
此外，为了进行比较，对上述硬质钻头1～11的表面进行珩磨，且在丙酮中进行超声波洗涤，以干燥的状态同样地装配到图2所示的电弧离子镀装置中，以与上述实施例1相同的条件，同样地气相沉积具有表9所示的目标组成及目标层厚的单相结构的硬质被覆层，由此分别制造比较表面被覆硬质制钻头(以下称为比较被覆硬质钻头)1～11。
(c)接着，在上述本发明被覆硬质钻头1～11及比较被覆硬质钻头1～11中，
(c1)对本发明被覆硬质钻头1～4及比较被覆硬质钻头1～4在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SKD61的板材、
切削速度：50m/min、
进给量：0.18mm/rev、
孔深度：10mm
的条件下进行热模具合金工具钢的高速湿式钻孔切削加工试验(通常的切削速度为35m/min)，
(c2)对本发明被覆硬质钻头5～8及比较被覆硬质钻头5～8在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·SCM440的板材、
切削速度：85m/min、
进给量：0.3mm/rev、
孔深度：20mm
的条件下进行铬钼钢的高速湿式钻孔切削加工试验(通常的切削速度为60m/min)，
(c3)对本发明被覆硬质钻头9～11及比较被覆硬质钻头9～11在
工件-平面：100mm×250mm，厚度：50mm的尺寸的JIS·S55C的板材、
切削速度：110m/min、
进给量：0.3mm/rev、
孔深度：40mm
的条件下进行机械结构用碳钢的高速湿式钻孔切削加工试验(通常的切削速度为80m/min)，
在上述(c1)～(c3)中的任意一种高速湿式钻孔切削加工试验(使用水溶性切削油)中，对顶端切削刃面的后刀面磨损宽度达到0.3mm的钻孔加工数进行测定，将其测定结果分别示于表8、表9。
[表8]
Figure G2008800184243D00261
[表9]
Figure G2008800184243D00271
通过使用透射型电子显微镜的能量分散型X射线分析法对构成该结果所得到的本发明被覆硬质钻头1～11的硬质被覆层的包括薄层A及薄层B的交替层压结构的上部层或者进而底层、进而比较被覆硬质钻头1～11的硬质被覆层的组成进行测定后可知，分别表现为与目标组成实质上相同的组成。
此外，通过透射型电子显微镜对上述硬质被覆层的各结构层的层厚进行剖面测定后可知，都表现为与目标层厚实质上相同的平均值(5个部位的平均值)。
由表8、表9所示的结果可知，本发明被覆硬质钻头的硬质被覆层由薄层A和薄层B的交替层压结构或者进而底层构成，硬质被覆层兼具优异的高温硬度、耐热塑性变形性的同时，兼具优异的高温韧性、高温强度，所以即使在伴随有高的放热，且施加大的冲击性、机械性负荷的高速钻削加工中，也不会产生崩刃、破损，而发挥优异的耐磨损性，与此相对地，硬质被覆层包括单相结构的(Al，Cr，Si)N层或者(A1，Ti，Si)N层的比较被覆硬质钻头在上述高速钻削加工条件下，特别是由于因韧性不充分而产生破损、崩刃或者耐磨损性差，因此使用寿命较短。
工业实用性
如由上述实施例1～实施例5可知，本发明的表面被覆切削刀具(例如，本发明被覆高速钢切齿刀具、本发明被覆硬质立铣刀、本发明被覆高速钢立铣刀、本发明被覆硬质钻头)不仅在各种钢或铸铁等的通常切削条件下的切削加工，特别是在伴随有高的放热，且施加大的冲击性、机械性负荷的高速切齿加工、高速铣削加工、高速钻削加工中，也发挥优异的耐破损性、耐磨损性，长期表现出优异的切削性能，因此可充分满足对应于切削加工装置的高性能化、且切削加工的省力化及节能化、进而低成本化。

Claims (6)

1、一种表面被覆切削刀具，在刀具基体表面上形成有硬质被覆层，其特征在于，
硬质被覆层至少包括薄层A和薄层B的交替层压结构，薄层A和薄层B分别具有0.01～0.1μm的层厚，且薄层A和薄层B具有1～10μm的总层厚，进一步地，
(a)薄层A为由组成式[AlXCrYSiZ]N表示时，
满足0.2≤X≤0.45、0.4≤Y≤0.75、0.01≤Z≤0.2、X+Y+Z＝1(其中，X、Y、Z都为原子比)的Al、Cr和Si的复合氮化物层，
(b)薄层B为由组成式[AlUTiVSiW]N表示时，
满足0.05≤U≤0.75、0.15≤V≤0.94、0.01≤W≤0.1、U+V+W＝1(其中，U、V、W都为原子比)的Al、Ti和Si的复合氮化物层。
2、根据权利要求1所述的表面被覆切削刀具，其特征在于，
硬质被覆层具有包括薄层A和薄层B的交替层压结构的上部层、夹在该上部层与刀具基体表面之间形成的底层，该底层具有0.5～10μm的层厚，具有满足上述薄层A的组成式的组成。
3、根据权利要求1所述的表面被覆切削刀具，其特征在于，
硬质被覆层具有包括薄层A和薄层B的交替层压结构的上部层、夹在该上部层与刀具基体表面之间形成的底层，该底层具有0.5～10μm的层厚，具有满足上述薄层B的组成式的组成。
4、根据权利要求1～3中的任意一项所述的表面被覆切削刀具，其特征在于，
表面被覆切削刀具为将高速工具钢作为刀具基体的切齿刀具。
5、根据权利要求1～3中的任意一项所述的表面被覆切削刀具，其特征在于，
表面被覆切削刀具为将高速工具钢作为刀具基体的立铣刀。
6、根据权利要求1～3中的任意一项所述的表面被覆切削刀具，其特征在于，
表面被覆切削刀具为将碳化钨基硬质合金作为刀具基体的立铣刀或者钻头。
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