CN101952070A - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种切削工具，其即使在湿式切削那样的要求有耐磨损性和耐剥离性的切削条件下，工具寿命也长。(解决手段)该切削工具为由基体(2)和被覆层(9)构成的不重磨刀片(1)等，所述被覆层(9)覆盖基体(2)的表面且由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成，其在后刀面(4)上的层厚为3～9μm，当对于Cu-Kα线的薄膜X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为p时，p在外表面侧比在基体(2)侧大。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及一种在基体的表面成膜被覆层而形成的切削工具。
背景技术
当前，由于切削工具需要有耐磨损性、滑动性及抗崩性，因此使用在WC基超硬合金或TiCN基金属陶瓷等硬质基体的表面成膜各种被覆层来提高切削工具的耐磨损性、抗崩性的方法。
作为这样的被覆层，通常广泛采用TiCN层或TiAlN层，但是为了进一步提高耐磨损性和抗崩性，不断开发出各种被覆层。
例如，在专利文献1中，公开有如下的不重磨镶刀：对于覆盖基体表面的TiAl复合化合物层的X射线衍射，将(111)面的衍射强度I(111)与(200)面的衍射强度I(200)的比率I(200)/I(111)的值控制为1以上。另外，在专利文献2中，公开有如下的不重磨镶刀：为了提高被覆层的耐氧化性、耐剥离性，将TiAl复合化合物层的X射线衍射的衍射强度设为Ib(200)/Ia(111)的值在1.0＜Ib/Ia≤5.0的范围内。
并且，在专利文献3中记载有在TiAlCr系复合氮化物或碳氮化物被覆层中，控制通过X射线衍射测定的(111)、(200)、(220)结晶面的峰值强度比率。此外，在该文献中作为图6记载的X射线衍射图中，(400)面的衍射峰值几乎不存在。另外，在专利文献4中记载有在TiAl氮化物层中，形成(200)结晶面的最大高度的第一层和(111)结晶面的最大高度的第二层的层叠结构。
如上述的专利文献1～4所示，可知在TiAl复合氮化物层中，若通过控制X射线衍射的衍射强度来控制被覆层的特性，尤其控制衍射强度强的(111)、(200)及(220)结晶面的衍射强度，则能够提高被覆层的硬度和耐氧化性，并且能够提高与基体的密接性。
专利文献1：日本特开平9-295204号公报
专利文献2：日本特开平9-300106号公报
专利文献3：日本特开2002-3284号公报
专利文献4：日本特开平10-330914号公报
然而，在使用切削液的所谓湿式条件下进行加工的湿式切削加工中，尤其在铣刀切削中，只是单纯地提高被覆层的硬度和耐氧化性，不仅不能提高耐磨损性，相反，若被覆层的厚度变厚，则被覆层会局部剥离，结果导致不能延长切削工具的寿命的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使在湿式切削那样的要求有耐磨损性和耐剥离性的切削条件下工具寿命也会很长的切削工具。
本发明的切削工具的特征在于，包括基体和被覆层，所述被覆层覆盖该基体的表面且由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成，其在后刀面上的层厚为3～9μm，当对于Cu-Kα线的薄膜X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为p时，p在外表面侧比在所述基体侧大。
在此，在上述结构中，设在所述被覆层的外表面进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为ps，则优选ps＝0.2～1。
另外，在上述结构中，设在所述被覆层的距所述基体侧的界面厚度为1.5μm以内的区域露出的状态下进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为pb，则优选pb＝0.1～0.5。
另外，在上述结构中，当设所述比率ps与pb之比ps/pb为r时，优选r＝1.5～7。
在本发明的切削工具中，也可以是，所述被覆层由下层及上层构成，在相对于厚度方向倾斜地研磨所述被覆层而成的研磨面中，当该被覆层的对于Cu-Kα线的X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为P时，在所述上层的未研磨面测定的P1＝0.1～0.5，并且在所述研磨面的露出所述下层与所述上层的界面的部分测定的P3比在所述上层的研磨面测定的P2小，且该P2比所述P1小。
并且，在上述结构中，优选，所述被覆层的在所述切削刃上的总厚度Te为3～15μm，其相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的厚度Tf的比(Te/Tf)为1.2～3.8。
另外，在该结构中，所述下层的厚度te相对于所述切削刃上的所述被覆层的总厚度Te的比率(te/Te)为A时，比率A优选为0.2～0.6，并且，所述下层的厚度tf相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的总厚度Tf的比率(tf/Tf)为a时，比率A相对于比率a的比(A/a)优选为0.4～0.9。
另外，在本发明的切削工具中，优选，所述被覆层的在所述切削刃上的层厚为3～10μm，当所述被覆层的对于Cu-Kα线的微小部X射线衍射峰值的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(220)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为q、前刀面的q值为qr、后刀面的q值为qf、切削刃的q值为qe时，qe＞qr且qe＞qf。
在此，在上述结构中，优选qe＞qr＞qf。
另外，在上述结构中，当所述被覆层的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(400)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为Q、前刀面的Q值为Qr、后刀面的Q值为Qf、切削刃的Q值为Qe时，优选Qr＞Qe＞Qf。
发明效果
本发明的切削工具的特征在于，在基体的表面上以后刀面的层厚为3～9μm覆盖由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成的被覆层，且所述被覆层的对于Cu-Kα线的薄膜X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为p时，所述被覆层的p在外表面侧比在所述基体侧大。由此，能够形成工具寿命长的切削工具，其即使进行湿式切削加工，尤其进行铣刀切削加工时，耐磨损性高、被覆层不剥离且抗崩性优良。
在此，在上述结构中，设在所述被覆层的外表面进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为ps，则ps＝0.2～1，由此，具有能够提高被覆层的耐磨损性的效果。
另外，在上述结构中，设在所述被覆层的距所述基体侧的界面厚度为1.5μm以内的区域露出的状态下进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为pb，则pb＝0.1～0.5，由此，能够提高密接力。pb特别优选的范围为pb＝0.15～0.35。
并且，当设所述比率ps与pb之比ps/pb为r时，r＝1.5～7，由此，耐磨损性、抗崩性、耐剥离性取得均衡，能够实现长寿命化。
在此，作为被覆层，由下层及上层的多层结构构成，且可以控制其取向方向(P1、P2、P3)。由此，能够提供一种工具寿命长的切削工具，其即使在旋转工具的切削加工时，被覆层也不剥离且耐磨损性高。此外，(400)面与(311)面的衍射峰值的峰值强度比与被覆层的密接性相关联的理由不清楚，但是能够推定其与被覆层的内部应力有关联。
此外，所述被覆层的在所述切削刃上的总厚度Te为3～15μm，其相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的厚度Tf的比(Te/Tf)为1.2～3.8，由此，不会损坏切削刃的抗崩性且能够提高耐磨损性。
此时，所述下层的厚度te相对于所述切削刃上的所述被覆层的总厚度Te的比率(te/Te)为A时，比率A为0.2～0.6，并且，所述下层的厚度tf相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的总厚度Tf的比率(tf/Tf)为a时，比率A相对于比率a的比(A/a)为0.4～0.9，该情况能够进一步抑制切削刃上的被覆层的剥离，因此优选。
另外，根据本发明的切削工具，优选，被覆层的在所述切削刃上的层厚为3～10μm，当所述被覆层的对于Cu-Kα线的微小部X射线衍射峰值的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(220)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为q、前刀面的q值为qr、后刀面的q值为qf、切削刃的q值为qe时，qe＞qr且qe＞qf。由此，能够形成工具寿命长的切削工具，其即使在旋转工具的切削加工时，被覆层也不会剥离且耐磨损性高。
此外，虽然(220)面的衍射峰值的峰值强度比与切削性能相关联的理由不清楚，但是能够推定其与位于交叉棱线部的切削刃上的被覆层的内部应力有关联。即，认为通过优化位于前刀面与后刀面的交叉棱线部的切削刃的结晶排列，能够降低切削刃上的被覆层的崩刃和剥离。
虽然前刀面和后刀面都需要有高的耐磨损性，但是由于在切削开始时或断续加工时成为冲击载荷，因此，特别优选在前刀面不失去耐崩刃性、抗崩性。
在此，为了改善切削加工时的耐熔敷性而优选qe＞qr＞qf。
另外。为了不产生切削时的冲击引起的崩刃或剥离而能够厚膜化，并能够且发挥优良的耐磨损性，当所述被覆层的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(400)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为Q、前刀面的Q值为Qr、后刀面的Q值为Qf、切削刃的Q值为Qe时，优选Qr＞Qe＞Qf。
附图说明
图1是表示作为本发明切削工具的第一实施方式的多刃刀片式铣削工具的一例的简要立体图。
图2表示安装于图1的不重磨式铣削工具的不重磨刀片的一例，(a)是简要立体图，(b)是俯视图。
图3是图2(a)的a-a线的简要剖视图。
图4表示对于图3的不重磨刀片的被覆层的薄膜X射线衍射图案，(a)是从被覆层的外表面照射X射线时的薄膜X射线衍射图案，(b)是将被覆层以从基体开始厚度在1.5μm以内的方式除去上部后，向露出的表面照射X射线时的薄膜X射线衍射图案。
图5是为了对成膜本发明切削工具的实施例1(第一实施方式)的切削工具的被覆层的成膜装置的配置进行说明而从上方观察成膜装置时的示意图。
图6是表示本发明切削工具的第二实施方式的钻头的简要侧视图。
图7是从前端观察到的图6钻头的简要主视图。
图8是用于说明通过图6的钻头进行切削时的外刃和内刃的配置的示意图。
图9是表示安装于图6的钻头上的不重磨镶刀(镶刀)的俯视图。
图10(a)是从箭头A侧观察到的图9镶刀的侧视图，(b)是从箭头B侧观察到的图9镶刀的侧视图。
图11(a)是表示图9镶刀的I-I线剖面的放大图，(b)是表示II-II线剖面的放大图。
图12(a)是表示第二实施方式的钻头中的图9镶刀的其它方式(第三实施方式)的I-I线剖面的放大图，(b)是表示II-II线剖面的放大图。
图13是作为图11、图12的镶刀的被覆层的成膜方法的一例的成膜装置的示意图。
符号说明：
A不重磨式铣削工具(工具)
1不重磨刀片(刀片)
2基体
3前刀面
4后刀面
5角切削刃
6主切削刃
7副切削刃
8切削刃
9被覆层
10珩磨头(honing)
Rr前刀面3侧的珩磨头量
Rf后刀面4侧的珩磨头量
11刀杆
12刀片槽
13螺钉
14螺纹孔
15试料
16塔架
17靶
18试料台
21钻头
22工具主体
23、53不重磨镶刀(镶刀)
23a一个镶刀
23b另一个镶刀
24螺钉
25内刃
26外刃
28杆部
29切削排出槽
30刀片槽(インサ一トポケツト)
30a内侧的刀片槽
30b外侧的刀片槽
31上表面
32侧面
34贯通孔
35基体
36、52被覆层
38下层
39上层
40下表面(支承面)
41交叉棱线部
42内刃刃带
43内刃前刀面
44内刃后刀面
45外刃梯形部(陸部)
46突出部
47外刃刃带
48外刃断屑槽
49外刃前刀面
50外刃后刀面
51外刃立起面
60成膜装置
61真空腔
62气体导入口
63、67阴极电极
64阳极电极
65靶
66电弧离子镀敷部
68溅射部
69加热器
70气体排出口
71偏压电源
72工作台
73试料支承夹具
74试料支承部
76塔架
O钻头的旋转轴
L1垂直于下表面(支承面)的线
L2内刃前刀面的虚拟延长线
L3平行于下表面(支承面)的线
L4外刃前刀面的虚拟延长线
L5外刃立起面的虚拟延长线
α1内刃前角
α2外刃前角
β1内刃后角
β2外刃后角
γ立起角
具体实施方式
(第一实施方式)
基于图1、图2、图3、图4，说明本发明的切削工具的一个例子，其中，图1是作为本发明的切削工具的优选例的安装了不重磨刀片(以下简称为刀片)的不重磨式铣削工具(以下简称为工具)A的前端部的简要立体图，图2(a)是安装的刀片1的简要立体图，(b)是安装的刀片1的俯视图，图3是图2刀片1的图2(a)a-a线的剖视图，图4是在图3刀片1的被覆层9的外表面(s)及距基体(b)1.5μm以内的层厚区域露出的状态下进行薄膜X射线衍射测定时的X射线衍射图案的一个例子。
根据图1～3，在刀片1中，构成主面呈大致平板状的基体2的前刀面3的主面及构成后刀面4的侧面的交叉棱线构成切削刃8，切削刃8具备角切削刃5和夹着角切削刃5的主切削刃6及副切削刃7，并且，基体2的表面由被覆层9覆盖。另外，通过工具A在刀杆11的刀片槽12中安装刀片1。并且，通过将螺钉13插入在刀片1的中央部形成的螺纹孔14并将螺钉13螺合于刀杆11，能够将刀片1夹紧在刀杆11上。
在此，根据本发明，其特征在于，如图3、4所示，覆盖有由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成且后刀面上的层厚为3～9μm的被覆层9，并且，当被覆层9中的对于Cu-Kα线的薄膜X射线衍射的衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为p时，被覆层9的p在外表面侧比基体2侧大。由此，能够形成即使在湿式切削加工中，也会具有高耐磨损性且被覆层不会剥离、抗崩性优良的工具寿命长的切削工具。尤其是能够大幅度地抑制在铣刀切削加工时容易产生的边界损伤的加剧。
即，在被覆层9的后刀面上的层厚小于3μm时，耐磨损性急剧降低而产生边界损伤等，由此使磨损加剧而达到工具寿命。相反，若被覆层9的后刀面上的层厚超过10μm，则被覆层9容易产生局部的剥离，存在由于剥离使磨损加剧而过早达到工具寿命的情况。被覆层9的层厚的优选范围为5～8μm。另外，当上述比率p在外表面侧比基体2侧小或与其相同时，刀片1的耐磨损性降低，例如，在铣刀湿式切削等切削加工时，尤其容易产生边界损伤而缩短工具寿命。
此外，在上述结构中，当将在被覆层9的外表面进行薄膜X射线衍射分析时的上述比率p设为pS时，pS＝0.2～1，由此能够提高被覆层9的耐磨损性。pS的优选范围为pS＝0.45～0.9。
另外，在上述结构中，当将在被覆层9的距基体2侧的界面的厚度为1.5μm以内的区域露出的状态下进行薄膜X射线衍射分析时的上述比率p设为pb时，pb＝0.1～0.5，由此能够提高被覆层9向基体2的密接性。pb的优选范围为pb＝0.2～0.4。
并且，当将上述比率pS与pb的比pS/pb设为r时，优选r＝1.5～7。即，若r在该范围内，则能够减缓被覆层9的磨损的加剧，且能够抑制被覆层9的微少剥离的发生等。r的更加优选的范围为r＝2.5～4.5。
并且，也可以在角切削刃5上设置珩磨头10。为了抑制被覆层9的剥离，优选珩磨头10的形状为R珩磨头，但是也可以为C珩磨头(倒角珩磨头)。此外，对于珩磨头量而言，兼顾到切削刃5的锋利度和耐崩刃性能，前刀面3侧Rr与后刀面4侧Rf的比率Rr/Rf优选为1～1.5。另外，为了能够实现切削刃8的在各位置适于切削环境的结构以及能够发挥最佳的切削性能，优选作为底刃的主切削刃6侧大，作为外周刃的副切削刃7侧小。
另外，从被覆层表面光滑且耐熔敷性高，在被覆层9内存在的内部应力小，即使层厚加厚也不会自身破坏，且很难产生被覆层9的崩刃或剥离的角度出发，优选被覆层9通过溅射法形成。
并且，被覆层9即可以单纯地由Ti1-aAlaN构成，也可以例如由Ti1-a-bAlaMb(CxN1-x)(其中，M为从除Ti以外的周期表第4、5、6族元素、稀土类元素及Si中选择的一种以上，0≤a＜1，0＜b≤1，0≤x≤1)构成。此外，被覆层9的组成可以通过能量分散型X射线分光(EDS)分析法或X射线光电子分光分析法(XPS)测定。
另外，作为基体，除了适合使用由以碳化钨或碳氮化钛为主要成分的硬质相和以钴、镍等铁族金属为主要成分的结合相构成的超硬合金或金属陶瓷以外，还适合使用以氮化硅或氧化铝为主要成分的陶瓷、将由多结晶金刚石或立方晶氮化硼构成的硬质相和陶瓷或铁族元素等的结合相在超高压下进行烧成而成的超高压烧结体等硬质材料。
本发明的切削工具可以作为切削工具在各种切削条件下使用，特别是在使用切削液的同时进行切削加工的湿式切削条件下，尤其在包括立铣刀加工、钻头加工的铣削加工时表现出优良的耐磨损性及抗崩性。
(制造方法)
接下来，对上述第一切削工具的实施方式的制造方法的一例进行说明。
首先，使用以往公知的方法制作工具形状的基体。接下来，在基体的表面成膜被覆层。作为被覆层的成膜方法，适合使用离子镀敷法或溅射法等物理蒸镀(PVD)法。
若对成膜方法的一例的详细情况进行说明，则在通过离子镀敷法制作被覆层时，使用分别独立含有金属钛(Ti)、金属铝(Al)、金属M(其中，M为从除Ti之外的周期表第4、5、6族元素、稀土类元素及Si中选择的一种以上)的金属靶或复合化的合金靶。
作为成膜条件，可以优选采用如下条件：使用该靶，通过电弧放电或辉光放电等使金属源蒸发并离子化，并且使其与氮源的氮(N2)气体或碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)气体反应。此时，使用氩气体相对于氮的流量为1∶9～4∶6的比例的氮(N2)气体和氩(Ar)气体的混合气体，通过离子镀敷法或溅射法，以成膜温度450～550℃、溅射功率6kW～9kW或偏压30～200V来成膜被覆层。根据本发明，从不会产生通过电弧离子镀敷法成膜时生成的熔滴等异常部且能够形成均匀组织的角度出发，优选通过溅射法进行覆盖。另外，由于内部应力低，因此即使层厚增加也难以产生因内部用力的蓄积而导致的耐崩刃性降低。因此能够进行膜更加厚的成膜，也能够抑制加工中的脆性的剥离，并能够发挥由表面覆盖带来的耐磨损性增加的效果。
并且，根据本发明，在成膜时，控制成成膜后期比成膜前期试料的旋转速度快，由此能够完成上述被覆层的结构。
(第二实施方式)
对于本发明的切削工具的第二实施方式，基于作为其优选例的不重磨钻头的一例进行说明。图6是表示本实施方式的钻头的简要侧视图。图7是从前端观察到的图6的钻头的简要主视图。图8是用于说明使用图6的钻头进行切削时的外刃和内刃的配置的示意图。此外，图8中，虚线表示的镶刀示出实线表示的镶刀旋转180度时的位置。
如图6～8所示，在本实施方式的钻头21中，在中心为旋转轴O的工具主体22的前端部分别安装有后述的两个不重磨镶刀(以下简称为镶刀)23。一个镶刀23a以内刃25向工具主体22的前端突出的方式通过螺钉24进行安装，另一个镶刀23b在比工具主体22的前端的镶刀23a更靠径向外侧的位置，从工具主体22的外周方向以跨工具主体22的前端使外刃26突出的方式通过螺钉24进行安装。即，内刃25从工具主体22突出的镶刀23a设置在比外刃26从工具主体22突出的镶刀23b更靠径向内侧的位置。
在此，工具主体22呈大致圆柱状，具有钻头21的旋转轴(图6～图8的线O)，在后端侧具有用于将自身固定于工作机械的杆部28，并且，在比杆部28更靠前端侧的位置螺旋状形成有用于从工具主体22的前端向后端排出切屑的切屑排出槽29。另外，在工具主体22的前端部的两个位置设置有用于安装镶刀23的刀片槽30(30a、30b)，内侧的刀片槽30a向工具主体22的轴线方向前端侧开放而安装镶刀23a，外侧的刀片槽30b以从工具主体22的轴线方向前端到外刃开放的方式安装镶刀23b。
并且，钻头21被如下配置：内刃25切削被切削材料(未图示)的孔底面内周侧，外刃26切削被切削材料(未图示)的孔底面外侧及外周面，但如图7、图8所示，内刃25和外刃26的旋转轨迹互相交叉，且通过两方的切削刃从钻头21的前端覆盖到外周。
对安装于钻头21的镶刀23的详细情况进行说明。图9是表示本实施方式的镶刀的俯视图。图10(a)是从箭头A侧观察到的图9的镶刀的侧视图，(b)是从箭头B侧观察到的图9的镶刀的侧视图。图11(a)是表示图9的镶刀的I-I线的剖面的放大图，(b)是表示图9的镶刀的II-II线的剖面的放大图。
图9～11所示的实施方式的镶刀23俯视时呈大致多边形的板状，在上表面31的中央部形成有贯通孔34。并且，如图11所示，在镶刀23中，在基体35的表面通过粘附形成有被覆层36，在镶刀23的上表面31与侧面32的交叉棱线部41形成有互相相邻的内刃25及外刃26。
因此，根据本实施方式，覆盖有由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成且在交叉棱线部41上的层厚为3～15μm的被覆层36，如图11所示，被覆层36由下层38及上层39构成。并且，在相对于被覆层36的厚度方向倾斜地研磨被覆层36而成的研磨面上，在被覆层36的对于Cu-Kα线的微小部X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为P时，在上层39的未研磨面测定的P1＝0.1～0.5，并且在研磨面中的露出下层38与上层39的界面的部分测定的P3比在上层39的研磨面测定的P2小，并且该P2比所述P1小。
由此，能够形成切削加工时耐磨损性高、被覆层36不会剥离且抗崩性优良的工具寿命长的镶刀23。尤其是，即使在被覆层36的切削刃(内刃25及外刃26)的层厚厚达3～15μm的情况下，也能够防止在切削刃(内刃25、外刃26)的被覆层36中内部应力增大而在成膜时产生缺口、或者由于被覆层36内残留的缺欠而引起的在切削加工的初期切削刃上产生崩刃的情况。被覆层36的层厚的优选范围为4～12μm，特别优选为4～8μm。
此外，在本实施方式中，p为ps＞pb，形成外表面侧比基体侧大的结构。
在此，被覆层36的在切削刃(内刃25及外刃26)上的总厚度Te为3～15μm，其相对于后刀面(侧面32)的中央即镶刀23的高度方向(垂直于切削刃(内刃25及外刃26)的方向)的中心位置的被覆层36的厚度Tf的比(Te/Tf)为1.2～3.8，由此，能够不损坏切削刃的抗崩性且提高耐磨损性。
此时，下层38的厚度te相对于切削刃(内刃25及外刃26)上的被覆层36的总厚度Te的比(te/Te)为A时，比率A为0.2～0.6，并且，下层38的厚度tf相对于后刀面(侧面32)的镶刀23的高度方向的中心位置的被覆层36的总厚度Tf的比率(tf/Tf)为a时，比率A相对于比率a的比(A/a)为0.4～0.9，该情况能够进一步抑制切削刃(内刃25及外刃26)上的被覆层36的剥离，因而优选。
另外，优选被覆层36通过物理蒸镀(PVD)法形成，其中，从控制各层的配向性并得到被覆层36的硬度及附着力方面考虑，更加优选下层38通过溅射法形成，上层39通过电弧离子镀敷法形成。并且，若为后述的组成的被覆层36，则即使被覆层36形成得较厚，也能够不自身破坏而抑制被覆层36的崩刃和自身破坏的产生。
被覆层36的组成可以单纯地由Ti1-aAlaN构成，但也可以例如由Ti1-a-bAlaMb(CxN1-x)(其中，M为从除Ti之外的周期表第4、5、6族元素、稀土类元素及Si中选择的一种以上，0≤a＜1，0＜b≤1，0≤x≤1)构成。尤其在由Ti1-a-b-cAlaMbWc(CyN1-y)(其中，M为从除Ti以及W之外的周期表第4、5、6族元素、稀土类元素及Si中选择的一种以上，0.4≤a≤0.65，0≤b≤0.5，0.01≤c≤0.3，0≤y≤0.8)构成时，能够较厚地形成被覆层36。此外，被覆层36的组成可以通过能量分散型X射线分光(EDS)分析法或X射线光电子分光分析法(XPS)测定。
另外，如图11(a)所示，内刃25形成在镶刀23的上表面31(内刃前刀面43)和侧面32(内刃后刀面44)的交叉棱线部41，如图11(a)所示，从该内刃25开始顺次连续形成0.05～0.15mm的内刃刃带42和内刃前角α1(内刃前刀面43的虚拟延长线L2与平行于下表面40的线L3所成的角度)以5°～25°向下倾斜的内刃前刀面43。并且，在内刃25的侧面32以内刃后角β1形成内刃后刀面44。此外，在图11中，将垂直于下表面(支承面)的线记为L1。
另一方面，如图11(b)所示，外刃26形成于上表面31(外刃前刀面49)与以外刃后角β2形成的侧面32(外刃后刀面50)的交叉棱线部41，如图9所示，在外刃26的一端侧具有俯视时从镶刀23向外侧突出的突出部46。并且，如图11(b)所示，从该外刃26开始顺次连续形成有0.05～0.15mm的外刃刃带47、宽度为1.2～2mm且深度为0.03～0.15mm的外刃断屑槽48、外刃梯形部45。另外，在外刃26的侧面32形成有外刃后刀面50。
外刃断屑槽48由外刃前刀面49和外刃立起面51构成，其中，外刃前刀面49以5°～25°的前角α2(外刃前刀面49的虚拟延长线L4与平行于下表面40的线L3所成的角度)向下倾斜，外刃立起面51以25°～45°的立起角γ(外刃立起面51的虚拟延长线L5与平行于下表面40的线L3所成的角度)从该外刃前刀面49向镶刀23的中央侧(贯通孔34侧)立起。
此外，构成镶刀23的基体35适合使用与第一实施方式同样的材质。
(制造方法)
作为在烧成后的基体35上成膜被覆层36的成膜方法，适合使用离子镀敷法或溅射法等物理蒸镀(PVD)法。尤其是作为本发明优选的成膜方法的一例，列举出使用图13的示意图所示的具备磁控溅射阴极和电弧离子镀敷阴极这两方的成膜装置6来成膜被覆层36的方法。即，优选通过磁控溅射法成膜下层38，通过电弧离子镀敷法成膜上层39的方法。
即，图13的成膜装置60从气体导入口62向真空腔61中导入N2或Ar等气体，并具备具有阴极电极67和阳极电极64的溅射部68，在阴极电极67和阳极电极64这两者间通过溅射在基体35的表面成膜下层38。
成膜装置60在下层38的成膜结束后，停止阴极电极63与阳极电极64之间的电弧放电，在阴极电极63与阳极电极64之间施加高电压而产生等离子体，通过该等离子体，使所希望的金属或陶瓷从靶65蒸发，并使其离子化而成为高能状态，通过使该离子化后的金属附着于试料(基体35)的表面上的电弧离子镀敷部66来继续进行成膜，由此在下层38的表面上成膜上层39。
根据图13，配置有用于加热基体35的加热器69、用于将气体向系统外排出的气体排出口70以及用于向基体35施加偏压的偏压电源71。并且，使用靶65，通过电弧放电或辉光放电等使金属源蒸发而离子化，同时与氮源的氮(N2)气体或碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)气体反应，由此在基体35的表面堆积被覆层36。
具体地说，成膜温度为500～700℃，对磁控溅射阴极施加3kW～7kW的脉冲功率。此时，重复频率为20-100kHz，占空因数为5～80％。作为偏压，以50kHz～350kHz施加30～150V的脉冲DC电压，并通过使0.3～0.8Pa的氮气体流动而形成放电状态，成膜下层38。
接下来，以偏压30～200V、成膜温度400～600℃对电弧离子镀敷阴极照射电弧放电或辉光放电等，使金属源蒸发并离子化，同时以2～5Pa的气体压力使氮源的氮(N2)气体和碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)气体流动而与金属离子反应，由此在下层38的表面成膜上层39。
另外，根据图13，基体35以前刀面与靶65对置的方式分别载置于多个试料支承部74上，并配置有多个塔架76，其中多个试料支承部74设置于在工作台72上载置的试料支承夹具73上(在图13中图示出试料支承夹具有73八套，塔架76有两套)。此外，考虑试料支承夹具73、塔架76及工作台72分别旋转，各试料顺次与靶65对置，从而使被覆层的厚度均匀。在本发明中，通过与成膜下层38时的旋转速度相比，以1.1～3.0的比例加快成膜上层39时的旋转速度，能够控制下层38与上层39的取向状态。
此外，作为靶，可以使用分别独立含有例如金属钛(Ti)、金属铝(Al)、金属W、金属Si、金属M(其中，M为从除Ti、W之外的周期表第4、5、6族元素、稀土类元素中选择的一种以上)的金属靶、或者将上述金属复合化的合金靶，或者由上述金属的碳化物、氮化物、硼化物化合物粉末或烧结体构成的混合物靶。
(第三实施方式)
对于本发明的切削工具的第三实施方式，基于作为其优选例的不重磨钻头的一例进行说明。本实施方式的钻头的基本结构与上述第二实施方式所示的钻头及镶刀相同。
在此，根据本实施方式，如图12所示，覆盖有由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成且在切削刃上的层厚为3～10μm的被覆层52，并且，当被覆层52的对于Cu-Kα线的微小部X射线衍射峰值的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(220)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为q、前刀面(图9、10的上表面31)的q值为qr、后刀面(图9、10的侧面32)的q值为qf、切削刃(图12的内刃25、外刃26)的q值为qe时，qe＞qr且qe＞qf。
由此，能够形成切削加工时耐磨损性高、被覆层52不会剥离且抗崩性优良的工具寿命长的镶刀53。尤其即使在被覆层52的切削刃(内刃25及外刃26)上的层厚厚达3～10μm的情况下，也能够防止在切削刃(内刃25、外刃26)的被覆层52中内部应力增大而在成膜时产生缺口，或者由被覆层52内残留的缺欠而引起的在切削加工的初期在切削刃(内刃25、外刃26)上产生崩刃的情况。
在此，qe＞qr＞qf，该情况由于能够改善切削加工时的耐熔敷性而优选。
另外，当被覆层52的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(400)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为Q、前刀面(图9、10的上表面31)的Q值为Qr、后刀面(图9、10的侧面32)的Q值为Qf、切削刃(图12的内刃25、外刃26)的Q值为Qe时，Qr＞Qe＞Qf，在该情况下，不产生由切削时的冲击引起的崩刃或剥离而能够厚膜化，并发挥优良的耐磨损性，因而优选。
另外，优选被覆层52通过与第二实施方式相同的物理蒸镀(PVD)法形成，其中，从获得硬度及附着力的角度出发，更加优选通过电弧离子镀敷法形成。
根据本实施方式，在成膜的中途，将试料的朝向每45度旋转成前刀面、切削刃、后刀面并进行成膜。通过在该条件下成膜，能够控制被覆层36的结晶成长方向。并且，由于能够减少各试料的切削刃整周的厚度不均，因此，即使整体的厚度变厚也难以产生局部容易缺损的部分。其它的工序与第二实施方式相同。
实施例1
以平均粒径0.8μm的碳化钨(WC)粉末为主要成分，且以10％质量、0.2％质量、6％质量的比例添加平均粒径1.2μm的金属钴(Co)粉末、平均粒径1.0μm的碳化钒(VC)粉末、平均粒径1.0μm的碳化铬(Cr3C2)粉末并进行混合，通过冲压成形而成形为切削刃更换式铣削用切削工具形状(BDMT11T308ER-JT)，之后实施脱粘合剂(バインダ)处理，在0.01Pa的真空中，以1450℃进行一小时烧制，从而制作出超硬合金。并且，通过喷射加工、刷光加工等对各试料的前刀面表面进行研磨加工，并在切削刃上形成珩磨头。进而，对制作的超硬合金实施刷光加工，并以珩磨头量为Rr＝0.03mm、Rf＝0.02mm的方式进行切削刃处理(珩磨)。通过溅射法，以成膜温度500℃，在表1所示的条件下，在如上述制作的基体上成膜TiAlN组成的被覆层。此外，表1所示的试料的旋转速度为在从上面观察图5所示的成膜装置的示意图中，将保持试料15的塔架16旋转一周计为一次而记录的一分钟旋转的旋转数。此外，在图5中，17表示靶，18表示试料台。另外，在后刀面的中心位置测定被覆层的层厚。
[表1]
Figure BPA00001184383700181
*记号表示本发明范围外的试料。
对得到的试料(I-1～I-9)进行薄膜X射线衍射分析，进行I(400)/I(311)的峰值强度比p的测定。测定条件为入射角度为2.0°、Cu-Kα线步长为0.02°、时间为2秒。另外，对于pS，通过不研磨被覆层的表面而直接照射X射线来进行薄膜X射线衍射测定，对于pb，进行蚀刻处理使膜厚达到1.5μm以内(大致1μm)后，向被覆层的露出面照射X射线来进行薄膜X射线衍射测定，根据衍射峰值算出pS、pb。另外，将各刀片安装于刀杆来制作图1的立铣刀，在下述条件下进行切削试验。
切削方法：侧刃加工(肩削り)(铣削加工)
被切削材料：SKD11
切削速度：150m/min
进给：0.12mm/齿
切深：横向切深10mm，深度切深3mm
切削状态：湿式
评价方法，在进行了15分钟的切削时，进行切削刃的观察，并且测定后刀面的磨损量(宽度)。此外，请注意加工结束的珩磨头量不包含在磨损宽度内。
[表2]
Figure BPA00001184383700191
*记号表示本发明范围外的试料。
由表1、2可知，在整个成膜期间试料旋转的计时一定的试料No.I-6、I-9中，pS与pb相同且PS/Pb小于或等于1，但是在切削试验中工具寿命短。另外，在被覆层的层厚比3μm薄的试料No.I-7中，过早产生边界损伤，在被覆层的层厚比9μm厚的试料No.I-8中，产生被覆层的微小剥离，上述试料都是磨损加剧，工具寿命短。
相对于此，在PS/Pb比1大、即PS比Pb大的试料No.I-1～I-5中，切削性能优良。
实施例2
以平均粒径1.5μm的碳化钨(WC)粉末为主要成分，且以10％质量、3％质量、7％质量的比例添加平均粒径1.2μm的金属钴(Co)粉末、平均粒径1.5μm的碳化钛(TiC)粉末、平均粒径1.0μm的碳化钽(TaC)粉末并进行混合，通过冲压成形而成形为切削刃更换式钻孔用切削工具形状(ZCMT06T204)，之后实施脱粘合剂处理，在0.01Pa的真空中，以1450℃进行一小时烧制，从而制作出超硬合金。并且，通过喷射加工、刷光加工等对各试料的前刀面表面进行研磨加工。进而对制作的超硬合金实施刷光加工，以珩磨头量R为0.02≤R≤0.04mm的方式进行切削刃处理(珩磨)。
使用具备磁控溅射阴极和电弧离子镀敷阴极双方的成膜装置，在表1所示的成膜条件下，以各种组成在上述那样制作的基体上成膜被覆层。下层的成膜条件为通过溅射法、以成膜温度为500℃、重复频率为50kHz、占空因数为75％、使0.3～0.8Pa的氮气体流动，且满足表3所示的条件。
接下来，上层的成膜条件为通过电弧离子镀敷法、以成膜温度为550℃、向腔内导入3.8Pa的氮(N2)气体，且在表1所示的条件下成膜上膜而制作镶刀。
对于得到的样品(II-1～II-9)的前刀面及后刀面，以与切削刃垂直的方式进行精密切断并进行截面观察，根据扫描型电子显微镜SEM照片测定被覆层的膜厚。被覆层的膜厚在切削刃最厚。另外，对于后刀面以1°的角度倾斜地进行研磨，在未研磨面及研磨面的规定位置进行X射线衍射分析。准直器直径为0.3mmΦ，输出为45kV、110mA，入射角度为2.0°，Cu-Kα线步长为0.02°、时间为2秒。根据通过X射线衍射分析得到的衍射峰值算出P1、P2、P3。
然后，将该镶刀安装于图6的工具主体(京瓷制不重磨钻头刀杆S25-DRZ1734-06)来进行以下的切削试验，评价切削性能。
切削方法：钻孔(钻孔加工)
被切削材料：球墨铸铁(FCD450)
切削速度：140m/min
进给：0.12mm/齿
切深：孔径20mm，孔深40mm
切削状态：湿式
评价方法：以加工400孔为上限进行切削，记录直到内刃(或外刃)产生缺损的加工数。另外，对于外刃，计测加工150孔后的后刀面磨损量，进行耐磨损性的比较。
结果在表3或4中示出。
[表3]
Figure BPA00001184383700211
*记号表示本发明范围外的试料。
[表4]
Figure BPA00001184383700221
*记号表示本发明范围外的试料。
由表3、4的结果可知，在成膜下层时的试料的旋转速度与成膜上层时的旋转速度相同的试料No.II-9中，P3值为比P1值和P2值大的值，在切削刃上产生缺损。在调整偏压和旋转速度而使P1值、P2值及P3值大致相同的成膜条件下制作的试料No.II-8产生由被覆层的剥离引起的崩刃。另外，在成膜上层时的旋转速度比成膜下层时的试料的旋转速度慢的试料No.II-6、No.II-7中，P1值、P2值及P3值为P3＜P2＜P1，磨损宽度大且边界损伤寿命也大。
与此相对，在成膜上层时的试料的旋转速度为成膜下层时的试料的旋转速度的1.1～3.0的比例而成膜的试料No.II-1～II-5中，P3＜P2＜P1，耐磨损性及抗崩性都优良。
实施例3
以图7的状态将试料载置在成膜装置内，通过电弧离子镀敷法将氮(N2)气体导入腔内，在偏压35V的条件下，通过PVD法，在与实施例2同样制作的基体上将表1所示厚度的TiAlN被覆层成膜来制作镶刀(III-1～III-10)。此外，对于试料No.III-1～III-5，使用试料固定夹具，在成膜的中间阶段将试料的朝向每45度旋转成前刀面、切削刃、后刀面。
对于得到的样品的前刀面及后刀面，以与切削刃垂直的方式进行精密切断并进行截面观察，根据扫描型电子显微镜SEM照片测定被覆层的膜厚。被覆层的膜厚在切削刃最厚。另外，对前刀面、切削刃、后刀面进行微小部X射线衍射分析。准直器直径为0.3mmΦ，在各自的面的平坦部中央进行测定。此外，线源为Cu-Kα线，输出为45kV、110mA，入射角度为2.0°，Cu-Kα线步长为0.02°、时间为2秒。根据通过X射线衍射分析得到的衍射峰值算出qe、qr、qf及Qr、Qe、Qf。
[表5]
*记号表示本发明范围外的试料。
然后，将该镶刀安装于图1的工具主体(京瓷制不重磨钻头刀杆S25-DRZ1734-06)，进行以下的切削试验，评价切削性能。
切削方法：钻孔(钻孔加工)
被切削材料：碳素钢(S45C)
切削速度：150m/min
进给：0.25mm/齿
切深：孔径20mm，孔深20mm
切削状态：湿式
评价方法：以加工700孔为上限进行切削，记录直到内刃(或外刃)产生缺损的加工数。另外，对于外刃，计测加工400孔后的后刀面磨损量，进行耐磨损性的比较。
结果在表6中示出。
[表6]
Figure BPA00001184383700241
*记号表示本发明范围外的试料。
由表5、6的结果可知，在被覆层的切削刃上的层厚比3μm薄的试料No.III-8中，镶刀的磨损量大。另外，在被覆层的厚度超过10μm的试料No.III-7中，抗崩性差。并且，在qe＜qr的试料No.III-6中耐磨损性差，在qe＝qr的试料No.III-9中内刃过早缺损。另外，在qe＜qr且qe＜qf的试料No.III-10中，在成膜结束后的外观检查时，在切削刃上产生被覆层的剥离，在切削加工时也过早出现缺损。
与此相对，根据本发明，在切削刃上的被覆层的层厚为3μm～10μm、qe＞qr且qe＞qf的试料No.III-1～III-5中，任一个抗崩性及耐磨损性都优良。
实施例4
除了使用表7中记载的组成的基体和被覆层以外，与实施例3同样地成膜被覆层来制作镶刀，使用表8的被切削材料，在下述条件下进行切削试验，并与实施例3同样地进行评价(IV-1～IV-6)。结果在表8中示出。
切削方法：钻孔(钻孔加工)
切削速度：120m/min
进给：0.1mm/齿
切深：孔径20mm，孔深40mm
切削状态：湿式
评价方法：以加工400孔为上限进行切削，记录直到内刃(或外刃)产生缺损的加工数。另外，对于外刃，计测加工200孔后的后刀面磨损量，进行耐磨损性的比较。
[表7]
Figure BPA00001184383700251
*记号表示本发明范围外的试料。
[表8]
*记号表示本发明范围外的试料。
由表7、8可知，在ps/pb小于或等于1的试料No.IV-4、IV-6中，在切削试验中工具寿命短。另外，在被覆层的层厚比3μm薄的试料No.IV-5中，过早产生边界损伤，磨损加剧而工具寿命缩短。与此相对，在ps/pb比1大、即ps比pb大的试料No.IV-1～IV-3中，切削性能优良。

Claims (10)

1.一种切削工具，其特征在于，
包括基体和被覆层，
所述被覆层覆盖该基体的表面且由含有Ti和Al的氮化物或碳氮化物构成，其在后刀面上的层厚为3～9μm，当对于Cu-Kα线的薄膜X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为p时，p在外表面侧比在所述基体侧大。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，
设在所述被覆层的外表面进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为ps，则ps＝0.2～1。
3.根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，
设在所述被覆层的距所述基体侧的界面厚度为1.5μm以内的区域露出的状态下进行薄膜X射线衍射分析时的所述比率p为pb，则pb＝0.1～0.5。
4.根据权利要求2或3所述的切削工具，其特征在于，
当设所述比率ps与pb之比ps/pb为r时，r＝1.5～7。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的切削工具，其特征在于
所述被覆层由下层及上层构成，在相对于厚度方向倾斜地研磨所述被覆层而成的研磨面中，当该被覆层的对于Cu-Kα线的X射线衍射峰值的(400)面的衍射强度I(400)与(311)面的衍射强度I(311)的比率I(400)/I(311)为P时，在所述被覆层的未研磨面测定的P1＝0.1～0.5，并且在所述研磨面的露出所述下层与所述上层的界面的部分测定的P3比在所述研磨面中残留有上层的部分测定的P2小，且该P2比所述P1小。
6.根据权利要求5所述的切削工具，其特征在于，
所述被覆层的在所述切削刃上的总厚度Te为3～15μm，其相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的厚度Tf的比(Te/Tf)为1.2～3.8。
7.根据权利要求6所述的切削工具，其特征在于，
所述下层的厚度te相对于所述切削刃上的所述被覆层的总厚度Te的比率(te/Te)为A时，比率A为0.2～0.6，并且，所述下层的厚度tf相对于所述后刀面的中心位置的所述被覆层的总厚度Tf的比率(tf/Tf)为a时，比率A相对于比率a的比(A/a)为0.4～0.9。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的切削工具，其特征在于，
所述被覆层的在切削刃上的层厚为3～10μm，
当所述被覆层的对于Cu-Kα线的微小部X射线衍射峰值的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(220)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为q、前刀面的q值为qr、后刀面的q值为qf、切削刃的q值为qe时，qe＞qr且qe＞qf。
9.根据权利要求8所述的切削工具，其特征在于，
qe＞qr＞qf。
10.根据权利要求8或9所述的切削工具，其特征在于，
当所述被覆层的(111)、(200)、(220)、(222)、(400)面各自的衍射强度I(111)、I(200)、I(220)、I(222)、I(400)所涉及的比率I(400)/(I(111)+I(200)+I(220)+I(222)+I(400))为Q、前刀面的Q值为Qr、后刀面的Q值为Qf、切削刃的Q值为Qe时，Qr＞Qe＞Qf。
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