CN103372660A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硬质包覆层在合金钢等的高速铣削切削加工、高速断续切削加工中发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具。本发明的表面包覆切削工具，其在由WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、cBN基超高压烧结体构成的基体表面，包覆由含有Al(CH₃)₃来作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成的立方晶结构的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，其中，X、Y均以原子比计，0.55≤X≤0.95、0.0005≤Y≤0.005，其中，具有距基体表面0.5μm的硬质包覆层的内部L中Al量X_L为0.55≤X_L≤0.70，距硬质包覆层的表层0.5μm的硬质包覆层的内部H中Al量X_H为0.80≤X_H≤0.95的Al含有比例的组成倾斜结构，并且上述内部L中平均纵横尺寸比A_L为1～2，上述内部H中平均纵横尺寸比A_H为3～10。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)，其硬质包覆层在合金钢等的伴有高热发生，并且对切削刃施加冲击性负荷的高速铣削切削加工或高速断续切削加工中发挥优异的耐崩刀性。

背景技术

以往，已知有通常在由碳化钨(以下用WC表示)基硬质合金、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cBN表示)基超高压烧结体构成的基体(以下将它们统称为基体)的表面，通过物理蒸镀法包覆形成Ti-Al系的复合氮化物层来作为硬质包覆层的包覆工具，并且已知它们发挥优异的耐磨损性。

但是，上述以往的包覆形成Ti-Al系复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨损性比较优异，但是当在高速铣削切削条件中使用时容易产生崩刀等异常损耗，因此对硬质包覆层的改善提出了各种建议。

例如，专利文献1中，提出有在基体的表面通过物理蒸镀法包覆形成以组成式(Ti_1-XAl_X)N表示时满足0.35≤X≤0.60(其中，X为原子比)的Ti和Al的复合氮化物构成的硬质包覆层，并且将硬质包覆层作为以平均粒径30nm以下粒状晶组织和平均粒径50～500nm的柱状晶组织的交替层叠结构而构成，并且，由此在高硬度钢的高速断续切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性。

但是，该包覆工具通过物理蒸镀法蒸镀形成硬质包覆层，因此无法将Al的含有比例X设为0.6以上，要求进一步提高切削性能。

由如上观点提出有通过化学蒸镀法形成硬质包覆层，从而将Al的含有比例X提高至0.9左右的技术。

例如，专利文献2中，记载有在TiCl₄、AlCl₃、NH₃的混合反应气体中，在650～900℃的温度范围中进行化学蒸镀，从而能够蒸镀形成Al的含有比例X的值为0.65～0.95的(Ti_1-XAl_X)N层，但在该文献中，由于以在该(Ti_1-XAl_X)N层上进一步包覆Al₂O₃层，并由此提高绝热效果为目的，未揭示通过形成将X的值提高至0.65～0.95的(Ti_1-XAl_X)N层，对切削性能有何影响。

并且，例如专利文献3中，记载有在TiCl₄、AlCl₃、NH₃、N₂H₄的混合反应气体中，在700～900℃的温度中进行不使用等离子体的化学蒸镀，从而能够蒸镀形成Al的含有比例X的值为0.75～0.93的立方晶的(Ti_1-XAl_X)N层构成的硬质包覆层，但与专利文献2相同，未对作为包覆工具的适用可能性有任何揭示。

专利文献1：日本专利公开2011-224715号公报

专利文献2：日本专利公表2011-516722号公报

专利文献3：美国专利第7767320号说明书

近年来的切削装置的高性能化显著，一方面对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求强烈，随此切削加工有更加高速化、高效率化的倾向，因此对包覆工具进一步要求耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性等耐异常损伤性，并且要求经长期使用的优异的耐磨损性。

但是，上述专利文献1中记载的包覆工具由于通过物理蒸镀法蒸镀形成由(Ti_1-XAl_X)N层构成的硬质包覆层，无法提高硬质包覆层中的含Al量X，因此，例如当供合金钢的高速铣削切削时，不能说耐崩刀性足够。

另一方面，对于上述专利文献2、3中记载的通过化学蒸镀法包覆形成的(Ti_1-XAl_X)N层，能够提高含Al量X，并且，能够形成立方晶结构，因此能够得到具有预定的硬度且耐磨损性优异的硬质包覆层，但是与基体的粘附强度不充分，另外，由于韧性差，因此作为供合金钢的高速铣削切削的包覆工具使用时，容易产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，不能说发挥能够令人满意的切削性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种即使在供合金钢的高速铣削切削等时，也发挥优异的耐崩刀性，并且经长期使用发挥优异的耐磨损性的包覆工具。

本发明人等从如上述的观点出发，为了实现通过化学蒸镀包覆形成由Ti和Al的复合碳氮化物(以下，用“(Ti、Al)(C、N)”或“(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)”表示)构成的硬质包覆层的包覆工具的耐崩刀性、耐磨损性的改善，而进行深入研究的结果，得到了如下见解。

即发现在由碳化钨基硬质合金(以下用“WC基硬质合金”表示)、碳氮化钛基金属陶瓷(以下用“TiCN基金属陶瓷”表示)或立方晶氮化硼基超高压烧结体(以下用“cBN基超高压烧结体”表示)中的任一个构成的基体的表面，

例如，通过含有三甲基铝(Al(CH₃)₃)来作为反应气体的化学蒸镀法，蒸镀形成立方晶结构的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层来作为硬质包覆层，并且通过硬质包覆层中的Al的含有比例具有随着从硬质包覆层与基体的界面朝向硬质包覆层的表层侧逐渐增加的组成倾斜结构，从而积极的导入与组成相应的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)的晶格常数的差别带来的应变，而且，在硬质包覆层与基体的界面侧形成平均纵横尺寸比A_L为1～2的粒状组织，另外，在硬质包覆层的表层侧形成平均纵横尺寸比A_H为3～10的柱状组织，从而提高由(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层构成的硬质包覆层的耐崩刀性。

另外，在上述(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中，X、Y均为原子比，且满足0.55≤X≤0.95、0.0005≤Y≤0.005，由此可知优选通过含有三甲基铝(Al(CH₃)₃)来作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成并得到维持立方晶结构的(Ti、Al)(C、N)层，且该(Ti、Al)(C、N)层达到了以往的PVD法中无法蒸镀形成的高Al含有比例X(例如，X=0.80～0.95)。

并且，本发明人等发现通过本发明的化学蒸镀法蒸镀形成上述立方晶结构的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层时，虽然层中含有微量的氯，但是若平均含氯量为1原子%以下，则不会产生硬质包覆层的脆化，不仅不会对硬质包覆层特性产生恶劣的影响，而且具有平均含氯量随着从硬质包覆层与基体的界面朝向硬质包覆层的表层侧逐渐减少的组成倾斜结构时，硬质包覆层不仅具备润滑性，而且提高耐崩刀性。

由此，将具备如上述的硬质包覆层的包覆工具，用于例如合金钢的高速铣削切削、高速断续切削等时，能够抑制崩刀、缺损、剥离等的产生，并且能够经长期使用而发挥优异的耐磨损性。

本发明是根据上述的研究结果而完成的表面包覆切削工具，其具有如下特征：

(1)在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任一个构成的基体的表面，

(a)包覆形成由通过化学蒸镀法蒸镀形成且平均层厚为2～20μm的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，

(b)上述硬质包覆层中将其平均组成以

组成式：(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)

表示时，Al含有比例X及C含有比例Y(其中，X、Y均为原子比)分别满足0.55≤X≤0.95、0.0005≤Y≤0.005，

(c)以从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例，将其平均值设为X_L(其中，原子比)则该Al含有比例X_L为0.55≤X_L≤0.70，并且，以从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例，将其平均值设为X_H(其中，原子比)则该Al含有比例X_H为0.80≤X_H≤0.95，另外，硬质包覆层中的Al含有比例具有随着从硬质包覆层与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧逐渐增加的组成倾斜结构，

(d)对每个存在于从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒求出长轴宽度、短轴宽度，将这些晶粒的长轴宽度和短轴宽度的比设为平均纵横尺寸比A_L，则该平均纵横尺寸比A_L为1～2，并且，对每个存在于从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H的立方晶结构的Ti与Al的复合碳氮化物晶粒求出长轴宽度、短轴宽度，将这些晶粒的长轴宽度和短轴宽度的比设为平均纵横尺寸比A_H，则该平均纵横尺寸比A_H为3～10。

(2)如上述(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述硬质包覆层中所含有的平均含氯量为0.001～1.0原子%。

(3)如上述(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，以从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_L，则该平均含氯量C_L为0.02～1.0原子%，并且，以从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_H，则该平均含氯量C_H为0.001～0.01原子%，而且，硬质包覆层中的平均含氯量具有随着从硬质包覆层与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧逐渐减少的组成倾斜结构。

(4)如上述(1)至(3)中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述硬质包覆层通过至少含有三甲基铝来作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

接着，对本发明的包覆工具的硬质包覆层进行更具体的说明。

Ti和Al的立方晶复合碳氮化物层((Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层)的平均组成：

在上述(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中，若Al的含有比例X(原子比)的值低于0.55则导致高温硬度不足且耐磨损性降低，另一方面，若X(原子比)的值超过0.95则由于相对的Ti含有比例的减少而无法维持立方晶结构，因此高温强度降低且容易产生崩刀、缺损，因此有必要将X(原子比)的值设为0.55以上0.95以下。

并且，根据PVD法蒸镀形成上述组成的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层时，虽然结晶结构为六方晶，但本发明中，由于通过后述的化学蒸镀法蒸镀形成，因此能够在维持立方晶结构至高Al含有比例X的范围(例如，X=0.80～0.95)的状态下得到上述组成的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，因此无皮膜硬度的降低。

并且，在上述(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中，C成分具有提高层的硬度，而N成分具有提高层的高温强度的作用，但是若C成分的含有比例Y(原子比)低于0.0005则无法得到高硬度，另一方面，若Y(原子比)超过0.005则高温强度降低，因此将Y(原子比)的值设为0.0005以上0.005以下。

另外，上述(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中，若其平均层厚低于2μm则无法充分确保与基体的粘附性，另一方面，若其平均层厚超过20μm则容易在伴有高热发生的高速铣削切削中引起热塑性变形，这成为偏磨损的原因，因此将其总平均层厚设为2～20μm。

本发明中，在具有上述平均组成的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中，并非在层整体具有均匀组成，而是形成硬质包覆层中的Al含有比例从硬质包覆层的与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧连续增加的组成倾斜结构。

即，以从基体表面与硬质包覆层的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的、与基体的界面侧的位置L为中心进行组成分析，将立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例X_L(原子比)设为0.55以上0.70以下，并且，以从硬质包覆层的表面进入硬质包覆层的内部0.5μm的表层部的位置H为中心进行组成分析，将立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例X_H(原子比)设为0.80以上0.95以下，构成Al含有比例从硬质包覆层的与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧逐渐增加的Al的组成倾斜结构。

根据这种组成倾斜结构，在硬质包覆层内，随着朝向表层侧，导入与其组成相应的晶格常数的差别带来的晶格应变，其结果，提高硬质包覆层的耐崩刀性。

并且，本发明中，关于构成硬质包覆层的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)晶粒的组织，在与基体的界面侧的硬质包覆层中为粒状组织，另一方面，在硬质包覆层的表层侧形成柱状组织。

即，设为将在从基体表面与硬质包覆层的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的、与基体的界面侧的位置L中的晶粒的平均纵横尺寸比A_L为1～2的粒状组织，并且，设为将从硬质包覆层的表面进入硬质包覆层的内部0.5μm的表层部的位置H中的晶粒的平均纵横尺寸比A_H为3～10的柱状组织。

本发明通过形成如上述的组织形式，在与基体的界面侧能够提高硬质包覆层的粘附性，并且，表层侧的硬质包覆层具备优异的耐磨损性，并且通过与基体的界面侧和表层侧中的组织形式不同来防止从表层侧开始的龟裂传播，因此具备优异的耐崩刀性。

并且，本发明中，虽通过如后述的化学蒸镀法蒸镀形成(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，但此时，层中含有作为反应气体成分的氯。

若层中所含有的氯的量过多(超过1原子%的量)则导致层自身的脆化，但在0.001原子%～1原子%的范围内微量含有的情况下能够不降低层的韧性就提高润滑性，因此优选在层中含有平均含氯量0.001原子%至1原子%以下的氯。

另外，当使层中含有氯时，在形成平均含氯量从硬质包覆层与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧逐渐减少的组成倾斜结构时，能够不导致硬质包覆层的耐崩刀性的降低而提高润滑性。

具体而言，通过形成组成倾斜结构，即以从基体表面与硬质包覆层的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_L，则该平均含氯量C_L为0.02～1.0原子%，并且，以从硬质包覆层的表面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_H，则该平均含氯量C_H为0.001～0.01原子%，形成平均含氯量随着朝向硬质包覆层的表层侧逐渐减少的组成倾斜结构，由此能够提高硬质包覆层的润滑性、耐崩刀性。

本发明的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，例如能够通过下述条件的热CVD法蒸镀形成。

反应气体组成(容量%)：

TiCl₄ 2.6～5.0%、Al(CH₃)30～10.0%、

AlCl₃ 0～10.0%、NH₃ 6.0～10.0%、

N₂ 6.0～10.0%、C₂H₄ 0～1.0%、

Ar 6.0～10.0%、剩余H₂，(其中，Al(CH₃)₃和AlCl₃均不会同时成为0%。)

反应气氛温度：700～900℃，

反应气氛压力：2～10kPa，

通过上述条件的热CVD法，蒸镀形成平均组成满足0.55≤X≤0.95、0.0005≤Y≤0.005(其中，X、Y均为原子比)，以组成式：(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)表示的Ti和Al的立方晶复合碳氮化物层。

对于通过上述的化学蒸镀法(热CVD法)蒸镀形成的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，Al含有比例随着朝向硬质包覆层的表层侧而逐渐增加，并且，在硬质包覆层的位置L中的Al含有比例X_L(原子比)满足0.55≤X_L≤0.70，并且，位置H中的Al含有比例X_H(原子比)满足0.80≤X_H≤0.95的组成倾斜结构，例如能够通过进行蒸镀形成的同时调整(即增加)作为上述反应气体成分的三甲基铝(Al(CH₃)₃)的添加量或进行蒸镀形成的同时使AlCl₃成分的添加量相对变多且使Ar气体的添加量相对变少来进行蒸镀形成。

并且，对于晶粒的组织形式，与Al的组成倾斜结构相同的，例如，能够通过进行蒸镀形成的同时增加反应气体成分三甲基铝(Al(CH₃)₃)的添加量或进行蒸镀形成的同时使N₂气体的添加量相对变多且在蒸镀途中少量添加C₂H₄气体，从而在硬质包覆层与基体的界面侧形成平均纵横尺寸比为1～2的晶粒，另一方面，在硬质包覆层的表层侧形成平均纵横尺寸比为3～10的晶粒。

另外，通过上述化学蒸镀法(热CVD法)进行蒸镀形成的同时增加反应气体成分三甲基铝(Al(CH₃)₃)的添加量，由此反应气体成分AlCl₃的添加量相对减少，并且形成蒸镀形成的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层中的平均含氯量随着朝向硬质包覆层的表层侧而逐渐减少的组成倾斜结构。

由此，例如能够通过按照所期望的组成倾斜(Al、氯)的同时按照所期望的X值、纵横尺寸比、平均含氯量等调整反应气体成分三甲基铝(Al(CH₃)₃)的添加量来获得所期望的硬质包覆层。

本发明的包覆工具通过化学蒸镀法蒸镀形成作为硬质包覆层的立方晶结构的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，该硬质包覆层具有Al含有比例随着从硬质包覆层与基体的界面朝向硬质包覆层的表层侧逐渐增加的组成倾斜结构，并且，在界面侧与表层侧形成不同的组织形式，而且，通过具有平均含氯量逐渐减少的组成倾斜结构，具备优异的粘附性、润滑性、耐崩刀性、耐磨损性，即使在用于合金钢的高速铣削切削或淬火钢的高速断续切削时，也能够经长期使用中发挥优异的切削性能。

附图说明

图1是表示本发明包覆工具的硬质包覆层纵截面的概要说明图。

具体实施方式

接着，根据实施例对本发明的包覆工具进行更具体的说明。

[实施例1]

作为原料粉末，准备均具有1～3μm的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末及Co粉末，以表1所示的配合组成配合这些原料粉末，进一步加入石蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为预定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中且在以1370～1470℃范围内的预定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，烧结后，分别制造出具有ISO标准·SEEN1203AFSN1所规定的刀片形状的WC基硬质合金制基体A～D。

并且，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN(以质量比计为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，以表2所示的配合组成配合这些原料粉末，用球磨机湿式混合24小时，干燥后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中，以在1540℃的温度下保持1小时的条件进行烧结，烧结后，制作具有ISO标准·SEEN1203AFTN1的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制基体a～d。

[表1]

[表2]

接着，在这些工具基体A～D及工具基体a～d的表面，使用通常的化学蒸镀装置，以表3所示的条件，以目标层厚蒸镀形成本发明的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，由此制造表5所示的本发明包覆工具1～10。

并且，以比较的目的，同样在工具基体A～D及工具基体a～d的表面，使用通常的化学蒸镀装置，以表4所示的条件，以目标层厚蒸镀形成比较例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层，由此制造表6所示的比较例包覆工具1～8。

为了参考，在工具基体A及工具基体a的表面，使用以往的物理蒸镀装置通过电弧离子镀，以目标层厚蒸镀形成参考例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层，由此制造表6所示的参考例包覆工具9、10。

另外，电弧离子镀的条件如下。

(a)在丙酮中超声波清洗上述工具基体A及a，在干燥的状态下沿外周部安装在从电弧离子镀装置内的旋转台上的中心轴向半径方向偏离预定距离的位置，并且，作为阴极电极(蒸发源)配置预定组成的Al-Ti合金，

(b)首先，一边将装置内进行排气来保持0.1Pa以下的真空，一边用加热器将装置内加热至500℃之后，在所述旋转台上对自转的同时公转的工具基体施加-1000V的直流偏压，并且，在Al-Ti合金构成的阴极电极与阳极电极之间流通100A的电流而产生电弧放电，并轰击清洗工具基体表面，

(c)接着，在装置内导入氮气作为反应气体设为4Pa的反应气氛，并且在所述旋转台上对自转的同时公转的工具基体施加-100V的直流电压，并且，在上述Al-Ti合金构成的阴极电极(蒸发源)与阳极电极之间流通120A的电流而产生电弧放电，在所述工具基体的表面蒸镀形成由表6所示的目标平均组成、目标平均层厚的(Al、Ti)N层构成的包覆层，并分别制造作为参考例包覆工具的参考例表面包覆刀片(以下，称为参考例包覆工具)9、10。

接着，对于上述本发明包覆工具1～10的硬质包覆层，测定硬质包覆层的平均Al含有比例X、平均C含有比例Y、Al的含有比例X_L、X_H、平均纵横尺寸比A_L、A_H、平均含氯量、平均含氯量C_L、平均含氯量C_H。

另外，具体测定如下。

使用X射线荧光分析装置在硬质包覆层表面照射光斑直径100μm的X射线，并从所得的特性X射线的分析结果求出平均Al含有比例X、平均C含有比例Y及平均含氯量。

接着，使用金刚石研磨盘制作相对于基体表面垂直的截面，并使用电子射线显微分析装置，以从硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L作为光斑的中心，照射光斑直径0.4μm的电子射线，即以位置L作为中心从硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.3μm的位置至进入硬质包覆层的内部0.7μm的位置照射电子射线，由所获得的特性X射线的分析结果的10个点的平均求出Al的含有比例X_L及平均含氯量C_L。另外，所谓“为中心进行组成分析”意味着以该位置为中心照射上述光斑直径0.4μm的电子射线，求出所获得的特征X射线的分析结果的10个点平均。并且，在位置L中与基体表面平行地划出宽度50μm的线LL，对每个线LL的横切晶粒求出长轴和短轴的长度，通过将长轴的长度以短轴的长度相除来求出每个晶粒的纵横尺寸比，通过对这些每个纵横尺寸比取平均来求出在位置L的平均纵横尺寸比A_L。

将从硬质包覆层的表面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H作为光斑的中心，照射光斑直径0.4μm的电子射线，即以位置H为中心从硬质包覆层的表面进入硬质包覆层的内部0.3μm的位置至进入硬质包覆层的内部0.7μm的位置照射电子射线，由所获得的特性X射线的分析结果的10个点平均求出Al的含有比例X_H及平均含氯量C_H，并且，在位置H中在与基体表面的水平方向划出宽度50μm的线L_H，对每个线L_H的横切晶粒求出长轴和短轴的长度，通过将长轴的长度以短轴的长度相除来求出每个晶粒的纵横尺寸比，通过对这些每个纵横尺寸比取平均来求出在位置H的平均纵横尺寸比A_H。

并且，硬质包覆层的平均层厚，使用扫描型电子显微镜进行截面测定，求出5处的平均值，将其平均值设为硬质包覆层的平均层厚。

另外，对于硬质包覆层的结晶结构，使用X射线衍射装置，将Cu-Kα线作为线源进行X射线衍射时，通过确认分别在JCPDS00-038-1420立方晶TiN和JCPDS00-046-1200立方晶AlN表示的同一结晶面的衍射角度之间(例如，36.66～38.53°、43.59～44.77°、61.81～65.18°)是否出现衍射峰来进行调查。

表5中示出其结果。

接着，与本发明包覆工具1～10相同地分别对比较例包覆工具1～8及参考例包覆工具9、10测定硬质包覆层的平均Al含有比例x、平均C含有比例y、Al的含有比例x_L、y_H、平均纵横尺寸比a_L、a_H、平均含氯量、平均含氯量c_L及平均含氯量c_H。

并且，与本发明包覆工具1～10相同地对硬质包覆层的结晶结构进行调查。

表6中示出其结果。

[表3]

(注)“蒸镀开始之后不久”和“即将结束蒸镀之前”的反应气体组成之所以不同，是因为进行蒸镀的同时对Al(CH₃)₃、AlCl₃、N₂、C₂H₄、Ar成分的添加量进行了改变。

[表4]

[表5]

[表6]

(注1)“AIP”表示通过电弧离子镀成膜。

(注2)栏中的※符号表示处于本发明范围外。

接着，在将上述各种包覆工具均用固定夹具紧固于刀具径125mm的工具钢制刀具的前端部的状态下，对本发明包覆工具1～10、比较例包覆工具1～8及参考例包覆工具9、10，实施以下所示的合金钢的干式高速正面铣削、中心切割切削加工试验并测定切削刃的后刀面磨损宽度。

工件：JIS·SCM440宽度100mm、长度400mm的块体材料、

旋转速度：917min^-1、

切削速度：360m/min、

切深量：1mm、

单刃进给量：0.1mm/刃、

切削时间：9分钟，

表7中示出上述切削试验的结果。

[表7]

比较例包覆工具、参考例包覆工具的栏的*符号表示因产生崩刀而达到寿命的切削时间(分种)。

[实施例2]

作为原料粉末，准备均具有0.5～4μm的范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、TiCN粉末、TiC粉末、Al粉末及Al2O3粉末，以表8所示的配合组成配合这些原料粉末，并用球磨机湿式混合80小时并进行干燥后，以120MPa的压力冲压成型为具有直径：50mm×厚度：1.5mm的尺寸的压坯，接着将该压坯在压力：1Pa的真空气氛中，在以900～1300℃范围内的预定温度保持60分钟的条件下进行烧结而作为切削刃用预烧结体，将该预烧结体与另行准备的具有Co：8质量%、WC：剩余的组成及直径：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基硬质合金制支撑片重叠的状态下，装入通常的超高压烧结装置，并在通常的条件即压力：4GPa、温度：1200～1400℃的范围内的预定温度中以保持时间：0.8小时的条件进行超高压烧结，烧结后使用金刚石砂轮研磨上下表面，并通过电火花加工装置分割成预定的尺寸，进一步在具有Co：5质量%、TaC：5质量%、WC：剩余的组成及ISO标准CNGA120412的形状(厚度：4.76mm×内接圆直径：12.7mm的80°菱形)的WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(刀尖部)使用具有以体积%计由Zr：37.5%、Cu：25%、Ti：剩余构成的组成的Ti合金的钎焊材料进行钎焊，外周加工成预定尺寸之后，在切削刃部实施宽度：0.13mm、角度：25°的刃口修磨加工，并进一步实施精加工研磨，由此分别制造出具有ISO标准CNGA120412的刀片形状的工具基体甲～丁。

[表8]

接着，在它们的工具基体甲～丁的表面，使用通常的化学蒸镀装置，以表3所示的条件，以目标层厚蒸镀形成本发明的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，由此制造表9所示的本发明包覆工具11～15。

并且，以比较的目的，同样在工具基体甲～丁的表面，使用通常的化学蒸镀装置，以表4所示的条件，以目标层厚蒸镀形成比较例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层，由此制造表10所示的比较例包覆工具11～14。

为了参考，在工具基体甲的表面，使用以往的物理蒸镀装置，通过电弧离子镀，以目标层厚蒸镀形成参考例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层，由此制造表10所示的参考例包覆工具15。

另外，电弧离子镀的条件与实施例1所示的条件相同。

接着，对于上述的本发明包覆工具11～15的硬质包覆层，用与实施例1所示的方法同样的方法测定硬质包覆层的平均Al含有比例X、平均C含有比例Y、Al的含有比例X_L、X_H、平均纵横尺寸比A_L、A_H、平均含氯量、平均含氯量C_L、平均含氯量C_H及硬质包覆层的结晶结构。

表9中示出其结果。

接着，与本发明包覆工具11～15相同地分别对比较例包覆工具11～14及参考例包覆工具15进行硬质包覆层的平均Al含有比例x、平均C含有比例y、Al的含有比例x_L、y_H、平均纵横尺寸比a_L、a_H、平均含氯量、平均含氯量c_L、平均含氯量c_H及硬质包覆层的结晶结构的测定。

表10中示出其结果。

[表9]

[表10]

(注1)“AIP”表示通过电弧离子镀成膜。

(注2)栏中的※符号表示处于本发明范围外。

接着，在将上述各种包覆工具均用固定夹具紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具11～15、比较例包覆工具11～14及参考例包覆工具15，实施以下所示的渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工试验并测定切削刃的后刀面磨损宽度。

工件：JIS·SCM415(硬度：HRC62)的长度方向等间隔4条纵槽圆棒、

切削速度：210m/min、

切深量：0.15mm、

进给速度：0.15mm/rev、

切削时间：4分钟，

表11中示出上述切削试验的结果。

[表11]

比较例包覆工具、参考例包覆工具的栏的*符号表示因产生崩刀而达到寿命的切削时间(分种)。

从表5～7及表9～11所示的结果可知：本发明包覆工具1～15上蒸镀形成立方晶结构的(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)层，该硬质包覆层具有Al含有比例随着从硬质包覆层与基体的界面朝向硬质包覆层的表层侧而逐渐增加的组成倾斜结构，并且，形成在界面侧与表层侧不同的组织形式，具有平均含氯量逐渐减少的组成倾斜结构，由此在合金钢的高速铣削切削加工或外径高速断续切削加工中发挥优异的粘附性、润滑性、耐崩刀性、耐磨损性。

相对于此，可知比较例包覆工具1～8、11～14，参考例包覆工具9、10、15，均在硬质包覆层产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，而且在比较短的时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

如上所述，根据本发明的包覆工具，不仅能够在合金钢的高速铣削切削加工及外径高速断续切削中使用，而且还能够作为各种工件的包覆工具来使用，而且经长期使用中发挥优异的耐磨损性，因此能够十分满意地应对切削装置的高性能化及切削加工的节省劳力化及节能化甚至低成本化。

Claims (4)

1.一种表面包覆切削工具，其特征在于，

在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中任一个构成的基体的表面，

(a)包覆形成由通过化学蒸镀法成膜且平均层厚为2～20μm的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，

(b)在上述硬质包覆层中，将其平均组成以组成式：(Ti_1-XAl_X)(C_YN_1-Y)表示时，Al含有比例X及C含有比例Y分别满足0.55≤X≤0.95、0.0005≤Y≤0.005，其中，X、Y均为原子比，

(c)以从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例，将其平均值设为X_L，则该Al含有比例X_L为0.55≤X_L≤0.70，其中，X_L为原子比，并且，以从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物的Al含有比例，将其平均值设为X_H，则该Al含有比例X_H为0.80≤X_H≤0.95，其中，X_H为原子比，另外，硬质包覆层中的Al含有比例具有随着从硬质包覆层与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧而逐渐增加的组成倾斜结构，

(d)对每个存在于从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L的立方晶结构的Ti与Al的复合碳氮化物晶粒求出长轴宽度、短轴宽度，将这些晶粒的长轴宽度和短轴宽度的比设为平均纵横尺寸比A_L，则该平均纵横尺寸比A_L为1～2，并且，对每个存在于从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H的立方晶结构的Ti与Al的复合碳氮化物晶粒求出长轴宽度、短轴宽度，将这些晶粒的长轴宽度和短轴宽度的比设为平均纵横尺寸比A_H，则该平均纵横尺寸比A_H为3～10。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

上述硬质包覆层中所含有的平均含氯量为0.001～1.0原子%。

3.如权利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

以从上述硬质包覆层与基体的界面进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置L为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_L，则该平均含氯量C_L为0.02～1.0原子%，并且，以从硬质包覆层的表层进入硬质包覆层的内部0.5μm的位置H为中心进行组成分析，求出氯的含有比例，将其平均值设为平均含氯量C_H，则该平均含氯量C_H为0.001～0.01原子%，而且，硬质包覆层中的平均含氯量具有随着从硬质包覆层与基体的界面侧朝向硬质包覆层的表层侧而逐渐减少的组成倾斜结构。

4.如权利要求1～3中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

上述硬质包覆层通过至少含有三甲基铝来作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

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