CN102794492A - 耐缺损性与耐磨性优异的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐缺损性、耐磨性优异的表面包覆切削工具。在工具基体的表面通过物理蒸镀法包覆形成有硬质包覆层的表面包覆切削工具中，硬质包覆层由组成式：（Al_1-x-yCr_xSi_y）（N_1-zC_z）所表示的平均层厚0.5~8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，硬质包覆层含有构成元素中90原子%以上为金属元素的截面长径0.05~1.0μm的金属粒子，该金属粒子在硬质包覆层中以3~20%的纵截面面积比率分散分布，在金属粒子中，当将满足构成元素包含50原子%以上的Al，并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下等条件的粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，0.3≤A/（A+B）。

Description

耐缺损性与耐磨性优异的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种例如在碳钢、合金工具钢等被切削材的正面铣削加工中，通过提高硬质包覆层的耐缺损性，在长期的使用过程中发挥优异的耐磨性的表面包覆切削工具（以下称为包覆工具）。

背景技术

目前，已知例如如专利文献1所公开的一种表面包覆切削工具，硬质皮膜所具有的液滴（ドロップレット）为起点晶体生长的化合物的晶粒在皮膜表面突出，当将化合物的晶粒的长度方向长度设为h（μm）并将硬质皮膜的膜厚设为T（μm）时，通过使6≤T≤30，并使0.1≤h/T≤1.2，使以液滴为起点的巨大的柱状晶体生长，并降低压缩应力，从而在不损害密合性的情况下实现厚膜化。

此外，如专利文献2所公开的，已知一种立铣刀等表面包覆切削工具，多个粗大粒子在包覆层的表面突出，在与底刃和外周刃的切削刃连续的前刀面中粗大粒子相对于基体与包覆层的界面的垂线方向朝向从切削刃远离的方向平均以5~20%的角度突出，通过粗大粒子倾斜突出而使切屑的冲击分散，能够抑制粗大粒子脱落，从而使耐崩刀性提高。

进一步，如专利文献3所公开的，已知一种表面包覆切削工具，在包含WC基硬质合金的金属陶瓷、陶瓷和高速工具钢中的任一种构成的硬质材料基体的表面上，以0.5~20μm的平均厚度形成单层或多层构成的硬质包覆层，通过具有0.2~2μm粒径的Ti、Zr、Hf和Al、以及它们中的两种以上的合金中的至少一种构成的金属粒子以5~30%的纵截面面积率分散分布的组织的金属粒子分散层构成硬质包覆层的至少一层，使耐崩刀性提高。

专利文献1：日本特开2008-75178号公报

专利文献2：日本特开2008-238336号公报

专利文献3：日本特开平6-170610号公报

近年对切削加工中省力化和节能化的要求强烈，随之包覆工具被用在更加严苛的条件下，为了提高耐缺损性，通过上述专利文献1~3所示的方法实现了包覆工具的性能提高，但耐缺损性的改善依然不能说是充分的。

如上述专利文献3，通过使金属粒子在硬质包覆层内分散，使膜内部的应力缓和，可提高耐缺损性。可是，通常从靶产生的金属粒子在附着于基板前凝固，所以金属粒子在形状及相对于基板表面的角度随机的状态下进入到皮膜中。形成为球状的粒子，或细长的粒子中在膜厚方向上竖长的粒子，具有在切削时容易受到阻力而容易脱落，而且在脱落时对膜表面造成较大损伤，增加表面粗糙度从而导致耐缺损性下降的问题。因此，仅仅使金属粒子单纯分散在硬质包覆层内时，例如在以同时需要耐磨性和耐缺损性的正面铣削等加工方式加工碳钢、合金工具钢等被切削材的情况下，硬质包覆层容易发生缺损，其结果，现状是在较短的时间内达到使用寿命。

发明内容

于是，本发明所要解决的技术问题，即本发明的目的是提供一种即使在以正面铣削等加工方式加工碳钢、合金工具钢等被切削材的情况下也能够发挥优异的耐磨性与耐缺损性的表面包覆切削工具。

于是，本发明人从上述观点出发，对于即使在用于同时需要耐磨性与耐缺损性的正面铣削加工等加工方式的情况下也在长期的使用过程中发挥优异的耐磨性的包覆工具进行了深入研究，结果获得了以下的见解。

即、本发明人发现，在将Al与Cr与Si的复合碳氮化物层或复合氮化物层（以下由（Al，Cr，Si）（N，C）表示）作为硬质包覆层以平均层厚0.5~8.0μm包覆形成的包覆工具中，在所述（Al，Cr，Si）（N，C）层内含有构成元素的90原子%以上为金属元素的粒子（以下简称为“金属粒子”）。该粒子以截面长径0.05~1.0μm在硬质包覆层中以3~20%的纵截面面积比率分散分布，该粒子中，将构成元素含有50原子%以上的Al、并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以上的粒子的纵截面面积比率设为A%，除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，通过0.3≤A/（A+B），（Al，Cr，Si）（N，C）层显示出优异的耐缺损性，其结果是在长期的使用过程中发挥优异的耐磨性。

硬质包覆层使用PVD法在碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面成膜。例如，本发明能够使用在图1中示出其概要的电弧离子镀装置进行成膜。在该情况下，除了控制炉整体的气氛温度的加热器之外，在靶前面设置筒状加热器使靶前面的空间为高温。由此，能够防止从靶产生的金属粒子在气氛中凝固，使金属粒子在高温状态下附着于基体，从而金属粒子由于附着时的冲击沿着基体表面的形状变形。由于金属粒子沿着基体表面的形状变形，如果基体表面平滑，从皮膜的纵截面（相对于基体表面垂直的截面）观察时成为沿着基体表面的扁平形状，金属粒子的截面形状的截面长径与基体表面所成的锐角被控制在45°以下。通过使金属粒子在皮膜内分散分布从而皮膜内的应力得到缓和，进一步通过使金属粒子为沿着基体表面的纵横比较大的扁平形状从而切削时的阻力变小，金属粒子难以脱落，此外即使在脱落的情况下在膜厚方向上的损伤也较小。此外，由于皮膜反映基底的凹凸而生长，所以即使使扁平形状的金属粒子分散也不损害皮膜的平滑性。其结果是能够提供耐缺损性优异的皮膜。此外，通过在基体夹具上设置冷却机构能够防止因来自筒状加热器的辐射热而导致的皮膜损伤。通过利用具有这种机构的成膜装置成膜来形成具有本发明的特征的皮膜。

进一步，发现能够通过调节靶前面的空间的温度、靶的电弧电流、靶表面的磁场强度等来控制（Al，Cr，Si）（N，C）层中的上述粒子的截面长径和纵截面面积比率、组成、纵截面形状的纵横比、纵横比2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的粒子相对于全部粒子的纵截面面积比率。

此外发现，在所述硬质包覆层之上，通过在表面具备包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素，并且为选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物层、碳化物层或碳氮化物层中的任一种，维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚0.5~3.0μm的表面层，与硬质包覆层的效果相结合，发挥更进一步的耐磨性。在此，在上述记载中，“至少Ti、Cr、Al中的任一种元素”与“选自这些元素与Si中的一种以上的元素”也可以是相同元素。

此外发现，通过在所述硬质基板与硬质包覆层之间，具备包含至少Ti、Cr中的任一种元素，并且为选自这些元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物层或碳氮化物层的平均层厚0.1~2.0μm的中间层，与硬质包覆层的效果相结合，发挥更进一步的耐缺损性。在此，在上述记载中，“至少Ti、Cr中的任一种元素”与“选自这些元素与Al、Si中的一种以上的元素”也可以是相同元素。

基于以上见解完成本发明。

本发明基于上述见解而完成，具有如下特征。

（1）一种表面包覆切削工具，在碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面通过物理蒸镀法包覆形成有硬质皮膜，该表面包覆切削工具的特征在于，

所述硬质皮膜由组成式：（Al_1-x-yCr_xSi_y）（N_1-zC_z）（其中，0.3≤x≤0.7，0≤y≤0.1，0≤z≤0.3）所表示的平均层厚0.5~8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，

所述硬质皮膜含有构成元素的90原子%以上为金属元素的粒子，所述粒子以截面长径0.05~1.0μm在所述硬质皮膜中以3~20%的纵截面面积比率分散分布，

所述粒子中，当将构成元素包含50原子%以上的Al，并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，

0.3≤A/（A+B）。

（2）如（1）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质包覆层的表面具备表面层，该表面层包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素、为选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物层、碳化物层或碳氮化物层中的任一种，维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚为0.5~3.0μm。

（3）如（1）或（2）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述工具基体与硬质包覆层之间具备中间层，该中间层包含至少Ti、Cr中的任一种元素、为选自所述元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物层或碳氮化物层、且平均层厚为0.1~2.0μm。

以下对本发明进行详细说明。

（Al，Cr，Si）（N，C）层构成的硬质包覆层：

在（Al，Cr，Si）（N，C）层（Al与Cr与Si的复合碳氮化物层或复合氮化物层）构成的硬质包覆层中，作为其构成成分的Al成分使高温硬度与耐热性提高，Cr成分使高温强度提高，此外，Si成分使耐氧化性提高。进一步，由于Al与Cr共存而具有提高高温耐氧化性的作用。

可是，在（Al，Cr，Si）（N，C）层中，当Cr在与Al和Si的总量中所占的含有比例不到30原子%时，对于溶敷性高的被切削材的正面铣削加工，无法确保对于被切削材和切屑的耐溶敷性，此外，由于高温强度也下降，容易发生溶敷、缺损。另一方面，当Cr在与Al和Si的总量中所占的含有比例超过70原子%时，由于相对的Al含有比例的减少，产生高温硬度的下降、耐热性的下降，因不均匀磨损的发生、热塑性变形的发生等导致耐磨性下降。因此，Cr在与Al和Si的总量中所占的含有比例期望为30~70原子%。

此外，即使不含有Si也能获得一定的效果，但通过Si在与Al和Cr的总量中所占的含有比例为10原子%以下的范围内含有Si，耐氧化性提高、高温硬度也提高，所以更加优选。另一方面，当Si在与Al和Cr的总量中所占的含有比例超过10原子%时，（Al，Cr，Si）（N，C）层的高温韧性、高温强度下降，所以Si在与Al和Cr的总量中所占的含有比例期望为0~10原子%。

在硬质包覆层中，通过将一部分的N置换为C能够使耐磨性提高。另一方面，由于C的含有量越多则耐缺损性越下降，所以C相对于N的含有比例期望为0~30原子%。

当硬质包覆层的层厚不到0.5μm时即使使金属粒子分散到内部也无法得到希望的效果，另一方面，当超过8.0μm时切削刃部容易发生缺损，所以平均层厚为0.5μm~8.0μm。

（Al，Cr，Si）（N，C）层中的金属粒子的截面长径：

在本发明中，截面长径意味着金属粒子在垂直于基板表面的皮膜截面中的截面形状中最长的直径。通过在内部含有金属粒子，皮膜内的残余应力得到缓和，膜内的应力分布均匀，所以耐缺损性提高。此时，若金属粒子的截面长径小于0.05μm，则无法获得所希望的应力缓和效果。另一方面，当金属粒子的截面长径大于1.0μm时，金属粒子在与皮膜平行的方向上较大地扩展，所以阻碍碳氮化物膜的柱状的晶体生长，其结果是，膜的附着强度下降，耐缺损性下降。因此，（Al，Cr，Si）（N，C）层中的金属粒子的截面长径期望为0.05~1.0μm，优选为0.05~0.5μm。但是，即使粒子的截面长径在上述的范围内，当金属粒子的平均纵横比为2.0以下或者金属粒子的纵截面形状中的截面长径与基板表面所成的锐角为45°以上时，金属粒子由于切削时的摩擦（こすれ摩擦）容易脱落，此外脱落时膜在深度方向上被较大地挖掉，所以导致耐缺损性的下降。在此，本发明中的金属粒子意味着构成元素的90原子%以上为金属元素的粒子。此外，若构成元素中的氮、碳的总量增加则硬度增加，应力缓和效果下降，所以金属粒子中所含的氮、碳的量期望以总量计在5原子%以内。

（Al，Cr，Si）（N，C）层中的金属粒子的纵截面面积比率：

当金属粒子的纵截面面积比率小于3%时，金属粒子在膜内的比例小，无法获得所希望的应力缓和效果。另一方面，大于20%时，与上述一样阻碍晶体生长，并且当金属粒子在膜内的比例变高时膜的硬度下降，所以导致耐缺损性、耐磨性的下降。因此，（Al，Cr，Si）（N，C）层中的金属粒子期望以3~20%的纵截面面积比率分散分布，更优选为3~12%。

构成元素包含50原子%以上的Al，并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的比例：

为了使纵横比大的扁平形状的金属粒子有效分散，期望作为低熔点金属的Al在粒子的构成成分中所占的比例高。通过包含50原子%以上的Al，金属粒子的熔点降低，所以容易获得高纵横比的粒子。由于金属粒子从靶上的微小的熔融区域产生，所以由于微小区域的组成的不均匀性或熔融区域中的组成不稳定，各个金属粒子中可能产生组成中的Al量大于靶中的Al量的粒子。另一方面，全部的金属粒子中的平均Al量依赖于靶的Al量。在此，全部的金属粒子中的平均Al量能够利用靶表面的磁场强度来控制。例如，在AlCr靶的情况下，由于蒸气压的关系Al容易优先气化，所以通常从靶产生的金属粒子的平均组成与靶组成相比偏重于Cr。当提高靶表面的磁场强度时电弧斑点的速度增加，电弧斑点在局部停留的时间变短，所以局部的加热被抑制，从而能够抑制Al的气化，能够使从靶产生的金属粒子的平均组成偏重于Al。此外，通过抑制Al的气化熔融区域中的Al量增加，所以在观察各个金属粒子时，较多地含有Al的粒子也增加。如此，即使在使用相同组成的靶的情况下也能够使金属粒子较多地含有Al。

包含50原子%以上的Al的金属粒子之中，在硬质皮膜的特定的纵截面中观察的纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子较少的情况下，金属粒子由于切削时的摩擦容易脱落，此外脱落时膜在深度方向上被较大地挖掉，所以皮膜的表面粗糙度增加，导致耐缺损性的下降。此外，将构成元素中含有50原子%以上的Al、并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，A/（A+B）的值小于0.3的情况下，无法获得希望的耐缺损性，所以使0.3≤A/（A+B）。

另外，如上所述在特定的纵截面中观察的纵截面形状的纵横比为2.0以上的粒子的比例与在硬质皮膜中实际分散的金属粒子中纵横比为2.0以上的粒子的比例，以严格的意义来讲是不同的。然而，由于认为金属粒子在硬质皮膜中无秩序地分散，所以如果以充足的数目的粒子为对象，则在纵截面形状中的纵横比大的粒子数与在实际的硬质皮膜中的纵横比大的粒子数大致一致。因此，如果在充分大的范围中观察，则从特定的纵截面中的纵截面形状的观察能够规定在全部金属粒子中的纵横比大的粒子量。实际上，在多个纵截面中求上述A/（A+B），从其中任意选出几处取平均，结果显示大致相同的值。这证实了纵横比为2.0以上的金属粒子与除此以外的金属粒子在硬质皮膜中无秩序分散。

包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素，选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物、碳化物或碳氮化物构成的表面层：

在本发明中通过皮膜内部的金属粒子缓和内部应力以使耐缺损性提高，但另一方面，当内部的金属粒子量增加时，皮膜整体的硬度下降，耐磨性稍微下降。于是，通过在所述硬质包覆层的表面设置硬度高的皮膜，能够进一步提高综合的切削性能。然而，当其平均层厚不到0.5μm时，表面层具有的效果无法充分奏效，另一方面，当超过3.0μm时，皮膜内部的应力增高，导致崩刀的发生，所以是不优选的。因此，其平均层厚定为0.5~3.0μm。进一步，当表面层的维氏硬度不到2500Hv时，使耐磨性提高的作用不充分，所以定为2500Hv以上。

包含至少Ti、Cr中的任一种元素，选自这些元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物或碳氮化物构成的中间层：

在本发明中通过皮膜内部的金属粒子缓和内部应力以使耐缺损性提高，但另一方面，当内部的金属粒子量增加时，阻碍皮膜的柱状的晶体生长，密合力稍微下降。于是，通过在所述硬质包覆层与基材之间设置包含硬质包覆层的构成成分的亲和性高的皮膜，能够使切削性能进一步提高。然而，当其平均层厚不到0.1μm时，中间层具有的效果无法充分奏效，另一方面，当超过2.0μm时，皮膜内部的应力增高，导致剥离发生，所以是不优选的。因此，其平均层厚定为0.1~2.0μm。

本发明的包覆切削工具为在碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面通过物理蒸镀法包覆形成有硬质皮膜的表面包覆切削工具，硬质皮膜由组成式：（Al_1-x-yCr_xSi_y）（N_1-zC_z）（其中，0.3≤x≤0.7，0≤y≤0.1，0≤z≤0.3）所表示的平均层厚0.5~8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，硬质皮膜含有构成元素的90原子%以上为金属元素的金属粒子，金属粒子以截面长径0.05~1.0μm在所述硬质皮膜中以3~20%的纵截面面积比率分散分布，金属粒子中，当将构成元素包含50原子%以上的Al、并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的金属粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，通过使0.3≤A/（A+B），皮膜显示出优异的耐缺损性，其结果是，例如在碳钢、合金工具钢等被切削材的正面铣削加工中，硬质包覆层在长期的使用过程中发挥优异的耐磨性。

即，通过使金属粒子在硬质皮膜内分散分布从而皮膜内部的应力得到缓和，膜内的应力分布变得均匀，所以耐缺损性提高。当利用通常的PVD法成膜时，从靶产生的金属粒子在到达基板前凝固。此时金属粒子以随机的方向进入到皮膜内。形成为球状的金属粒子，或细长的粒子中在皮膜的膜厚方向上竖长的金属粒子，在切削时容易受到大阻力，容易脱落，而且脱落时对膜表面造成较大损伤。在本发明中，通过使金属粒子在高温状态下附着于基体，由于附着时的冲击沿着基体表面的形状变形。由此，金属粒子从垂直于基板表面的截面观察为扁平形状。通过使金属粒子为纵横比较大的扁平形状从而切削时的阻力变小，金属粒子难以脱落，此外脱落时在膜厚方向上的损伤也变小。如果基板表面平滑，则基板粒子为纵横比大的扁平形状，所以皮膜的纵截面中基板粒子截面形状的截面长径与基板表面所成的锐角被控制在45°以下。皮膜反映基底的凹凸而生长，所以即使分散扁平形状的金属粒子也不损害皮膜的平滑性。其结果是能够提供耐缺损性优异的皮膜。

进一步，在硬质包覆层的表面形成有平均层厚0.5~3.0μm、维氏硬度为2500Hv以上的，包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素，选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物、碳化物或碳氮化物构成的表面层时，除上述效果之外还发挥优异的耐磨性。

此外，在工具基体与硬质包覆层之间形成有平均层厚0.1~2.0μm的，包含至少Ti、Cr中的任一种元素，选自这些元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物或碳氮化物构成的中间层时，比上述效果发挥更优异的耐缺损性。

附图说明

图1是表示成膜本发明的包覆工具的硬质包覆层的电弧离子镀装置的概略说明图。

图2是与本发明的特性值一起表示说明本发明的包覆工具的硬质包覆层的概念的纵截面示意图。

图3是表示本发明的包覆工具1的（Al，Cr，Si）（N，C）层的截面TEM-EDS像（倍率：30000倍）。

图4是表示本发明的包覆工具2的（Al，Cr，Si）（N，C）层的截面TEM-EDS像（倍率：30000倍）。

图5是表示本发明的包覆工具3的（Al，Cr，Si）（N，C）层的截面TEM-EDS像（倍率：30000倍）。

图6是表示本发明的包覆工具4的（Al，Cr，Si）（N，C）层的截面TEM-EDS像（倍率：30000倍）。

具体实施方式

接下来，通过实施例具体说明本发明的包覆工具。

实施例1

准备均具有1~3μm的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末、TiN粉末、TaN粉末和Co粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合为表1所示的配合组成，进一步加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，在98MPa的压力下，将ISO·SEEN1203AFTN1（硬质基体A~E）冲压成形为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中以1370~1470℃的范围内的规定温度保持一小时的条件下真空烧结，烧结后，在切削刃部进行宽度0.15mm、角度20度的倒角修磨加工，从而分别制造WC基硬质合金制的工具基体A~E。

接下来，将这些工具基体A~E装入到图1所示的电弧离子镀装置中，在表2所示的条件下，实施Ti轰击，接着，使用相同的表2所示的组成的靶，在相同的表2的成膜条件下蒸镀形成规定层厚的（Al，Cr，Si）（N，C）层。如上所述，此时，除了控制炉整体的气氛温度的加热器之外，还通过在靶前面设置筒状加热器使靶前面的空间为高温。由此，能够防止从靶产生的金属粒子在气氛中凝固，金属粒子在附着到基板时沿着基板表面的形状变形。通过在基板夹具上设置冷却机构能够防止因来自筒状加热器的辐射热导致皮膜的损伤。加热靶前面的空间的筒状加热器从靶观察向基板方向延伸，长度期望为加热器的前端位于靶与基板间距离的2/3~3/4程度的位置。过长则皮膜因辐射热造成损伤，另一方面过短则存在于靶前面的高温的空间变狭窄，金属粒子在附着于基板前凝固。为了适当地加热靶前面的空间，设置位置期望为距靶表面50mm以内的位置，例如可以设置在阳极电极的前面等。基板的冷却机构例如有使冷却水在试样夹具中流动的冷却方法。如此，制造表3所示的本发明包覆工具1~10。另外，表中所述的“按照本申请的规定的金属粒子”是指，在皮膜所含的金属粒子之中，“构成元素包含50原子%以上的Al，并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的金属粒子”。

对于上述本发明包覆工具1~10的（Al，Cr，Si）（N，C）层，使用透射式电子显微镜-X射线能谱仪（TEM-EDS）进行垂直于基板表面的膜截面的组织观察与组成分析。对膜截面进行0.01μm以下的空间分辨率的元素分析，确认包覆的（Al，Cr，Si）（N，C）层的组成在规定的范围内，同时将在膜截面中氮与碳的总量为10原子%以内的区域视作金属粒子的截面，通过点分析来分析金属粒子的组成。接着，将视作金属粒子的截面的区域中的最大径作为长径，将与其正交的线段的最大径作为短径，金属粒子的纵截面形状近似于椭圆。在此所得到的长径为本发明的截面长径。确认金属粒子的截面长径在0.05~1.0μm的范围内，通过长径和短径的长度算出各个金属粒子的纵截面面积。进一步，将金属粒子区分为按照本申请的规定的金属粒子、即在组成分析的结果中构成元素包含50原子%以上的Al并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的金属粒子以及不按照上述规定的粒子，将各个粒子的纵截面面积进行合计。然后，粒子的纵截面面积除以皮膜的纵截面面积，由此算出按照本申请的规定的粒子的纵截面面积比率A（%）和除此以外的粒子的纵截面面积比率B（%），此外，通过计算求出A/（A+B）的值。纵横比是将近似椭圆的金属粒子截面的长径长度与短径长度之比以长径作为分子、短径作为分母来得到。在此，与上述理由相同地，考虑到金属粒子在硬质皮膜中无秩序地分散，如果以充足数量的粒子为对象，则在特定的纵截面中观察的纵截面形状的纵横比大的粒子的比例与实际的硬质皮膜中的纵横比大的粒子的比例大致一致。在本发明中从皮膜的截面图像随机选出十处纵3μm×横4μm的范围进行上述测定，测定部分中选五处取测定值的平均，结果确认了对于任意的五处A/（A+B）的平均值大致一致。另外，对于层厚不满3μm的皮膜确定适当的测定范围以使面积为12平方μm，进行同样的测定。

表3分别示出它们的值。值为五处上述测定范围的平均值。在此，如果将“全部金属粒子的平均Al量”与表2的条件进行比较，则可以看出在靶表面磁场强度越大的条件下全部金属粒子的平均Al量越接近靶组成，使用靶磁场强度能够确实控制金属粒子的组成。

此外，图2是与本发明的特性值一起表示说明本发明的包覆工具的硬质包覆层的概念的纵截面示意图。将硬质包覆层中的金属粒子之中在观察面中纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的金属粒子设为A，画上右阴影线，将除此之外的金属粒子设为金属粒子B，画上左阴影线。

此外，图3~6分别表示本发明的包覆工具1~4的的截面TEM-EDS像（倍率：30000倍）。另外，图中的圆表示金属粒子。基板沿图的横向扩展，在图中具有横长的椭圆形状的金属粒子为在本发明中作为目标形状的金属粒子。

此外，对于本发明包覆工具7~10，在上述硬质包覆层的表面形成表3所示的组成、维氏硬度、目标层厚的最表面层。此外，对于本发明包覆工具5~8，在上述工具基体与硬质包覆层之间形成表3所示的组成、目标层厚的中间层。对于图1的电弧离子镀装置，如果靶的总设置数有三面以上，则表面层与中间层能够分别使用不同组成的皮膜。另外，在表面层与中间层的成膜时，为了防止因金属粒子的分散导致的效果降低，不使用筒状加热器。

此外，出于比较的目的，使用上述电弧离子镀装置，与实施例同样地，在表4所示的条件下，对工具基体A~E表面实施Ti轰击，接着，在同一表4所示的条件下，蒸镀形成金属粒子分散分布的规定层厚的（Al，Cr）（N，C）层、（Al，Cr，Si）（N，C）层。此时，通过控制筒状加热器的设定温度、靶表面磁场强度等成膜条件，控制金属粒子的截面长径、纵横比，制作表5所示的比较包覆工具1~10。

对于比较包覆工具1~10的（Al，Cr）（N，C）层、（Al，Cr，Si）（N，C）层，也通过TEM-EDS观察其截面，测定皮膜所含有的金属粒子中，纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率A（%）、除此以外的粒子的纵截面面积比率B（%），此外，通过计算求出A/（A+B）。进一步，测定纵截面形状的截面长径为0.05~1.0μm的金属粒子的纵截面面积比率（%）。

此外，对于比较包覆工具7~10，在上述硬质包覆层的表面形成表5所示的组成、维氏硬度、目标层厚的最表面层。此外，对于比较包覆工具5~8，在上述工具基体与硬质包覆层之间形成表5所示的组成、目标层厚的中间层。

这些值分别在同一表5中示出。

此外，使用扫描型电子显微镜（SEM）测定本发明包覆工具1~10和比较包覆工具1~10的各构成层的层厚，结构均显示与表5所示的目标层厚实质上相同的平均层厚。

表1

接下来，对上述本发明包覆工具1~10和比较包覆工具1~10在以下所示的条件下实施正面铣削加工试验，测定切削刃的后刀面磨损宽度。

被切削材：JIS·SKD61(HRC52)的块材

旋转速度：764/min，

切削速度：300m/min，

切削深度：ap 2.0mm，

一刀进给量：0.1mm/刀，

切削油：吹气，

切削时间：5分钟，

表6示出上述切削试验的结果。

表6

比较包覆工具栏的切削试验结果表示由于崩刀、缺损等原因到达寿命的切削时间(分钟)

从表3、5、6所示的结果看出，本发明的包覆工具中，截面长径0.05~1.0μm的金属粒子以3~20%的纵截面面积比率在硬质包覆层的（Al，Cr，Si）（N，C）层中分散分布，将金属粒子中的构成元素包含50原子%以上的Al、纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，0.3≤A/（A+B），因此在正面铣削加工中显示出优异的耐缺损性，其结果是，在长期使用过程中发挥优异的耐磨性。

进一步，在硬质包覆层的表面具备包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素、为选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物层、碳化物层或碳氮化物层中的任一种、维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚0.5~3.0μm的表面层，从而发挥更加优异的耐磨性。

此外，在工具基体与硬质包覆层之间具备包含至少Ti、Cr中的任一种元素、为选自所述元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物层或碳氮化物层的平均层厚0.1~2.0μm的中间层，从而发挥更加优异的耐缺损性。

相对于此，在硬质包覆层的（Al，Cr，Si）（N，C）层中的截面长径0.05~1.0μm的金属粒子的纵截面面积比率，将金属粒子中构成元素包含50原子%以上的Al、纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A%、将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时的A/（A+B）中的任一个均偏离本发明所规定的范围的比较包覆工具1~10可知，在正面铣削加工中，由于发生崩刀、缺损等以短时间达到寿命。

工业上的可利用性

如上所述，本发明的包覆工具例如在碳钢、合金工具钢的被切削材的高速切削加工中发挥优异的耐缺损性和耐磨性，能够延长使用寿命，当然也能够用于其他被切削材的切削加工和在其他条件下的切削加工。

Claims (3)

1.一种表面包覆切削工具，在碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面直接或隔着中间层通过物理蒸镀法包覆形成有硬质皮膜，该表面包覆切削工具的特征在于，

所述硬质皮膜由组成式：（Al_1-x-yCr_xSi_y )(N_1-zC_z）所表示的平均层厚0.5~8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，其中，0.3≤x≤0.7，0≤y≤0.1，0≤z≤0.3，

所述硬质皮膜含有构成元素的90原子%以上为金属元素的粒子，所述粒子以截面长径0.05~1.0μm在所述硬质皮膜中以3~20%的纵截面面积比率分散分布，

所述粒子中，当将构成元素包含50原子%以上的Al，并且纵截面形状的纵横比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A%，将除此以外的粒子的纵截面面积比率设为B%时，

0.3≤A/（A+B）。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质包覆层的表面具备表面层，该表面层包含至少Ti、Cr、Al中的任一种元素、为选自这些元素与Si中的一种以上的元素的氮化物层、碳化物层或碳氮化物层中的任一种、维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚为0.5~3.0μm。

3.如权利要求1或权利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述工具基体与硬质包覆层之间具备中间层，该中间层包含至少Ti、Cr中的任一种元素、为选自这些元素与Al、Si中的一种以上的元素的氮化物层或碳氮化物层、且平均层厚为0.1~2.0μm。

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