CN103372764B - 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，至少包覆有通过例如含有Al(CH₃)₃来作为反应气体成分的化学蒸镀法成膜的复合组织层作为硬质包覆层，该复合组织层由立方晶结构的(Ti_1‑XAl_X)(C_YN_1‑Y)晶粒组织和非晶相组织构成，其中，X、Y以原子比计，0.60≤X≤0.90、0.0005≤Y≤0.005，并且，复合组织层形成随着从基体侧朝向复合组织层的表层侧平均粒子宽度逐渐增加的粒子宽度分布，另外，复合组织层中的Al含有比例具有随着从基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的组成倾斜结构。

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，通过物理蒸镀法蒸镀形成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，上述以往的蒸镀形成Ti-Al系复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨损性比较优异，但是当在高速断续切削条件下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蒸镀形成当以组成式：（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上述（Ti、Al）N层的粒状晶组织和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- X}Al_X）N层和/或（Ti_1-XAl_X）C层和/或（Ti_1-XAl_X）CN层，但在该文献中，以在该（Ti_1-XAl_X）N层和/或（Ti_1-XAl_X）C层和/或（Ti_1-XAl_X）CN层上进一步包覆Al₂O₃层，并由此提高绝热效果为目的，但未揭示形成将X的值提高至0.65～0.95的（Ti_1-XAl_X）N层和/或（Ti_1-XAl_X）C层和/或（Ti_{1- X}Al_X）CN层，对切削性能具有何影响。

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，从而能够蒸镀形成由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，包覆工具中，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- X}Al_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断续切削时，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蒸镀形成的（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断续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断续切削等时，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蒸镀形成由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）来作为反应气体成分的化学蒸镀法，作为硬质包覆层至少蒸镀形成由立方晶结构的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒组织和存在于该晶粒周围的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织构成的复合组织层，并且通过形成上述立方晶结构的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的平均粒子宽度随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的粒子宽度分布，由此至少包含所述复合组织层的硬质包覆层维持耐磨损性的同时韧性提高且具有与基体的优异的粘附性。

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0.60≤X≤0.90、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以往的PVD法中无法蒸镀形成的高Al含有比例X的立方晶结构的（Ti、Al）（C、N）晶粒组织和非晶相组织。

并且，本发明人等发现根据通过化学蒸镀法蒸镀形成上述立方晶结构的（Ti_{1- X}Al_X）（C_YN_1-Y）晶粒时，形成该晶粒的Al含有比例随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的组成倾斜结构，由此表层侧的复合组织层发挥优异的耐磨损性。

由此，将具备如上述的复合组织层的包覆工具，用于例如合金钢的高速断续切削等时，能够抑制崩刀、缺损、剥离等的产生，并且能够经长期使用中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）一种表面包覆切削工具，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，蒸镀形成硬质包覆层，其特征在于，

（a）上述硬质包覆层至少包含由通过化学蒸镀法蒸镀形成的平均层厚为1～20μm的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒组织和存在于该晶粒周围的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织构成的复合组织层，

（b）所述复合组织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0.60≤X≤0.90、0.0005≤Y≤0.005，

（c）若将从所述复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L中的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的与基体表面平行的面内的粒子宽度的平均值设为平均粒子宽度D_L，则该平均粒子宽度D_L为0.1μm以下，并且，若将从复合组织层的表层进入复合组织层的内部0.3μm的位置H中的与基体表面平行的面内的粒子宽度的平均值设为平均粒子宽度D_H，则该平均粒子宽度D_H为0.3～2μm，另外，立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的平均粒子宽度形成随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的粒子宽度分布。

（2）如上述（1）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

以从所述复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的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，以从复合组织层的表层进入复合组织层的内部0.3μm的位置H为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的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，而且，立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的Al含有比例具有随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧而逐渐增加的组成倾斜结构。

（3）如上述（1）或（2）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在由所述碳化钨基硬质合金、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工具基体、和在所述复合组织层之间存在由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层和碳氮氧化物层中的1层或2层以上构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的Ti化合物层。

（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，

所述硬质包覆层包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层。

（5）如上述（1）至（4）中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合组织层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

另外，所谓“为中心进行组成分析”是指使用后述的电子射线显微分析装置求出的组成。

此外，本发明中的硬质包覆层以如前所述的所述复合组织层作为其本质的结构，进而，通过与一直以来已知的下部层或上部层等并用，从而能够创造出更优异的特性。

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。

本发明的硬质包覆层至少包含由Ti和Al的立方晶复合碳氮化物（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒和填充该晶粒的间隙的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织构成的复合组织层，但首先对（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒进行说明。

（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒中，将其平均组成以

组成式：（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）

表示时，若Al的含有比例X（原子比）的值小于0.60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0.90则由于相对的Ti含有比例的减少，从而导致（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）层自身的高温强度降低，且容易产生崩刀、缺损，因此有必要将X（原子比）的值设为0.60以上0.90以下。

另外，当根据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的状态下获得上述组成的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒，因此无皮膜硬度的降低。

并且，在上述（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒中，C成分具有提高硬度，而N成分具有提高高温强度的作用，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）的值设定为0.0005以上0.005以下。

接着，虽然为存在于上述（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒周围的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织，但这种非晶相通过含有三甲基铝（Al（CH₃）₃）来作为反应气体成分的化学蒸镀法形成。并且，能够通过在（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的周围形成上述非晶相组织来提高至少包含复合组织层的硬质包覆层的韧性。

另外，所形成的非晶相组织的平均厚度虽然根据成膜条件而变化，但为5～30nm，并且，在复合组织层的纵截面中的平均面积比例优选为5～20面积%。

若由上述（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）结晶组织和上述非晶相组织构成的复合组织层中，若其平均层厚小于1μm，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断续切削中引起热塑性变形，成为偏磨损的原因，因此将其总平均层厚设定为1～20μm。

本发明中，对于构成复合组织层的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的平均粒子宽度，在与基体的界面侧的复合组织层中将其平均粒子宽度D_L设为相对较小的值（D_L≤0.1μm），另一方面，在复合组织层的表层侧将其平均粒子宽度D_H设为相对较大的值（0.3μm≤D_H≤2μm）。

即，将从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的与基体的界面侧的位置L中的平均粒子宽度D_L设为0.1μm以下，并且将从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.3μm的表层部的位置H中的平均粒子宽度D_H设为0.3μm≤D_H≤2μm，并且所谓平均粒子宽度形成随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增大的层厚方向粒子宽度分布。

本发明通过形成如上述的层厚方向粒子宽度分布，能够在复合组织层的基体侧提高复合组织层的粘附性，并且表层侧的复合组织层具备优异的耐磨损性。

并且，优选在本发明中具有上述平均组成的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒并非遍及层整体而均匀组成，而是形成构成上述（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的Al含有比例从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧连续增加的组成倾斜结构。

即，优选构成Al的组成倾斜结构，即将从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L中的上述（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的Al含有比例X_L（原子比）设为0.55以上0.70以下，并且将从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.3μm的表层部的位置H的Al含有比例X_H（原子比）设为0.80以上0.95以下，Al含有比例从复合组织层的基体侧朝向复合组织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，在复合组织层内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，作为其结果，提高复合组织层的耐崩刀性。

并且，本发明中，通过化学蒸镀法蒸镀形成构成复合组织层的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒和填充该晶粒的粒子间隙的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织，基于化学蒸镀法的成膜条件大致如下。

反应气体组成（容量%）：

TiCl₄5.0～7.5%、Al(CH₃)₃0～12%、

AlCl₃6～12%、NH₃10～15%、

N₂0～15%、C₂H₄0～5%、Ar0～5%、剩余H₂、

反应气氛温度：700～850℃、

反应气氛压力：6～10kPa，

通过上述条件的化学蒸镀法蒸镀形成，平均组成满足0.60≤X≤0.90、0.0005≤Y≤0.005（其中，X、Y均为原子比），

且以组成式：（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）

表示的Ti和Al的立方晶复合碳氮化物晶粒，并且，形成包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织，以便填充该粒子间隙。

并且，对于通过上述的化学蒸镀法蒸镀形成的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的层厚方向粒子宽度分布，通过进行蒸镀形成的同时使作为反应气体成分的氯化铝（AlCl₃）和/或三甲基铝（Al（CH₃）₃）的添加量在成膜工序中变化，从而形成平均粒子宽度随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增大的层厚方向粒子宽度分布。

并且，关于通过上述的化学蒸镀法蒸镀形成的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒的Al的组成倾斜，与上述层厚方向粒子宽度分布相同，通过进行蒸镀形成的同时调整作为上述反应气体成分的氯化铝（AlCl₃）和/或三甲基铝（Al（CH₃）₃）的添加量来进行，以便形成上述Al含有比例随着朝向复合组织层的表层侧而逐渐增加，在复合组织层的位置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。

由此，作为反应气体成分的氯化铝（AlCl₃）和/或三甲基铝（Al（CH₃）₃）的添加量按照所期望的X值、平均粒子宽度、粒子宽度分布和Al的组成倾斜等进行调整。

本发明的包覆工具例如通过含有三甲基铝（Al（CH₃）₃）来作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成至少由立方晶结构的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒和包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织构成的复合组织层作为硬质包覆层，该硬质包覆层中形成随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧平均粒子宽度逐渐增加的粒子宽度分布，并形成Al含有比例逐渐增加的组成倾斜结构，从而具备优异的粘附性、耐崩刀性、耐磨损性，即使当用于合金钢的高速断续切削时，也能够经长期使用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SEEN1203AFSN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SEEN1203AFTN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4所示的条件，以成为目标层厚的方式蒸镀形成本发明的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒和非晶相，由此制造表7所示的本发明包覆工具1～15。

另外，对于本发明包覆工具11～15，以表3所示的形成条件，形成表6所示的下部层和/或上部层。

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5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8所示的比较例包覆工具1～13。

另外，与本发明包覆工具11～15同样，对于比较包覆工具9～13，以表3所示的形成条件，形成表6所示的下部层和/或上部层。

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8所示的参考例包覆工具14、15。

另外，电弧离子镀的条件如下。

（a）将上述工具基体A及a在丙酮中超声波清洗，在干燥的状态下沿外周部将其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10^-2Pa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边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200A的电流而产生电弧放电，在装置内产生Al及Ti离子，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边公转的工具基体施加-50V的直流偏压，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表6所示的目标平均组成、目标平均层厚的（Al、Ti）N层，并制造参考例包覆工具14、15。

并且，使用扫描型电子显微镜对本发明包覆工具1～15、比较例包覆工具1～13及参考例包覆工具14、15的各结构层的截面进行测定，并测定观察视场内5点的层厚取平均而求出平均层厚的结果，均表示与表7及表8所示的目标平均层厚实质上相同的平均层厚。

接着，对于上述本发明包覆工具1～15的复合组织层测定复合组织层的平均Al含有比例X、平均C含有比例Y、平均粒子宽度D_L、平均粒子宽度D_H、Al的含有比例X_L，X_H。

另外，具体测定如下。

使用X射线荧光分析装置在复合组织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。

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，以从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L作为光斑的中心，照射光斑直径0.2μm的电子射线，即以位置L作为中心从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.2μm的位置至进入复合组织层的内部0.4μm的位置照射电子射线，由所得的特性X射线的分析结果的10个点平均求出Al的含有比例X_L。另外，本发明中所说的“为中心进行组成分析”意味着将该位置为中心照射上述光斑直径0.2μm的电子射线，并从所得特性X射线的分析结果的10个点平均求出组成。

并且，使用扫描型电子显微镜（倍率20000倍及50000倍），遍及与工具基体垂直方向为复合组织层的层厚部分的厚度，遍及与工具基体水平方向为总计长度10μm来多视场观察复合组织层的截面研磨面，在遍及水平方向10μm的视场的最左端的从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L中，在与基体表面平行方向上划出宽10μm的线L_L，对线L_L的横切晶粒，求出将该晶粒的晶界和线L_L的交点作为端点的线段的长度来作为该晶粒的粒子宽度，遍及宽10μm的线L_L求出晶粒的粒子宽度，通过取平均求出平均粒子宽度D_L。另外，本发明中所说的“平均粒子宽度”是指以上述方法求出的平均粒子宽度。

将从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.3μm的位置H为中心，照射光斑直径0.2μm的电子射线，即以位置H为中心从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.2μm的位置至进入复合组织层的内部0.4μm的位置照射电子射线，由所得的特性X射线的分析结果的10个点平均求出Al的含有比例X_H。

并且使用扫描型电子显微镜（倍率20000倍及50000倍），遍及与工具基体垂直方向为复合组织层的层厚部分的厚度，遍及与工具基体水平方向为总计长度10μm来多视场观察复合组织层的截面研磨面，并在遍及水平方向10μm的视场的最左端的从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.3μm的位置H中的在与基体表面的平行方向划出宽10μm的线L_H，对线L_H的横切晶粒，求出将该晶粒的晶界和线L_H的交点作为端点的线段的长度来作为该晶粒的粒子宽度，遍及宽10μm的线L_H求出晶粒的粒子宽度，通过取平均求出平均粒子宽度D_H。

另外，对于复合组织层的结晶结构，使用X射线衍射装置，将Cu-Kɑ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°）是否出现衍射峰值来进行调查。

另外，存在于（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒周围的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织的平均厚度为5～30nm，并且，在复合组织层纵截面所占的平均面积比例为5～20面积%。

另外，通过使用扫描型电子显微镜（倍率20000倍及50000倍），遍及与工具基体垂直方向为复合组织层的层厚部分的厚度，遍及与工具基体水平方向为总计长度10μm来多视场观察复合组织层的截面研磨面求出非晶相组织的平均厚度及平均面积比例。本发明包覆工具1～10的复合组织层由立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒组织和存在于该晶粒周围的非晶相组织的复合组织构成，上述2个组织若以扫描型电子显微镜进行观察，则能够以对比度的差别进行区别，在遍及水平方向10μm的视场的最左端的从复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L中，在与基体表面的平行方向上划出宽10μm的线L_L，并且在遍及水平方向10μm的视场的最左端的从复合组织层的表面进入复合组织层的内部0.3μm的位置H中在与基体表面的平行方向上划出宽10μm的线L_H，对于线L_L及线L_H横切的非晶相组织，求出将与该非晶相组织的结晶的界面和线L_L及线L_H的交点作为端点的线段的长度来作为该非晶相组织的厚度，遍及宽10μm的线L_L及线L_H，求出非晶相组织的厚度，通过取平均求出非晶相组织的平均厚度。并且，从视场观察的结果，通过利用立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒组织和存在于该晶粒周围的非晶相组织的对比度的差异的图像处理计算出平均面积比例。并且，通过使用透射电子显微镜对根据扫描型电子显微镜的观察中对比度不同的2个组织进行电子射线衍射的结果，确认到在立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒组织中，观察到具有立方晶晶格的Ti和Al的复合碳氮化物结晶的衍射图像，在非晶相组织中，无法观察到衍射图像。

表7中示出其结果。

接着，与本发明包覆工具1～15相同地分别对比较例包覆工具1～13及参考例包覆工具14、15测定硬质包覆层的平均Al含有比例x、平均C含有比例y、平均粒子宽度d_L、平均粒子宽度d_H、Al的含有比例x_L、x_H。

并且，与本发明包覆工具1～15相同地对复合组织层的结晶结构进行调查。

表8中示出其结果。

[表3]

[表4]

(注)“成膜开始之后不久”和“即将结束成膜之前”的反应气体组成之所以不同，是因为进行成膜的同时使反应气体组成变化。

[表5]

[表6]

[表7]

(注1)栏中的*表示权利要求2的范围外的值。

[表8]

(注1)“AIP”表示通过电弧离子镀成膜。

(注2)栏中的*符号表示在本发明范围外。

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1～15、比较例包覆工具1～13及参考例包覆工具14、15，实施以下所示的合金钢的高速断续切削的一种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。

被切削材料：JIS·SCM440宽度97mm、长度400mm的块体材料、

旋转速度：930min^-1、

切削速度：360m/min、

切深量：1mm、

单刃进给量：0.1mm/刃、

切削时间：8分钟，

表9中示出上述切削试验的结果。

[表9]

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

[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10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规格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规格CNGA120412的刀片形状的工具基体甲～丁。

[表10]

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4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12所示的本发明包覆工具16～25。

另外，对于本发明包覆工具21～25，以表3所示的形成条件，形成表11所示的下部层和/或上部层。

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5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13所示的比较例包覆工具16～24。

另外，与本发明包覆工具21～25同样，对于比较包覆工具20～24，以表3所示的形成条件，形成表11所示的下部层和/或上部层。

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13所示的参考例包覆工具25。

另外，电弧离子镀的条件使用与实施例1所示的条件相同的条件，在所述工具基体的表面蒸镀形成表13所示的目标平均组成、目标平均层厚的（Al、Ti）CN层，从而制造参考例包覆工具25。

接着，使用扫描型电子显微镜对本发明包覆工具16～25、比较例包覆工具16～24及参考例包覆工具25的各结构层的截面进行测定，并测出观察视场内的5点的层厚取平均来求出平均层厚的结果，均表示与表12及表13所示的目标平均层厚实质上相同的平均层厚。

接着，对于上述本发明包覆工具16～25的复合组织层，使用与实施例1所示的方法相同的方法测定复合组织层的平均Al含有比例X、平均C含有比例Y、平均粒子宽度D_L、平均粒子宽度D_H、Al的含有比例X_L、X_H及结晶结构。

表13中示出其结果。

接着，与本发明包覆工具16～25相同地分别对比较例包覆工具16～24及参考例包覆工具25测定复合组织层的平均Al含有比例x、平均C含有比例y、平均粒子宽度d_L、平均粒子宽度d_H、Al的含有比例x_L、x_H及结晶结构。

表13中示出其结果。

接着，在将上述各种包覆工具均用固定夹具螺钉固定于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具16～25、比较例包覆工具16～24及参考例包覆工具25，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。

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

切削速度：220m/min、

切深量：0.15mm、

进给速度：0.12mm/rev、

切削时间：5分钟，

表14中示出上述切削试验的结果。

[表14]

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(分钟)。

从表7～9及表12～14所示的结果可知：本发明包覆工具1～25上至少形成立方晶结构的（Ti_1-XAl_X）（C_YN_1-Y）晶粒和存在于该晶粒周围的非晶相组织构成的复合组织层来作为硬质包覆层并且该复合组织层形成平均粒子宽度随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的粒子宽度分布，并且具有Al含有比例逐渐增加的组成倾斜结构，从而在合金钢的高速铣削切削加工或高速断续切削加工中发挥优异的粘附性、耐崩刀性、耐磨损性。

相对于此，对于比较例包覆工具1～13、16～24，参考例包覆工具14、15、25，不仅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断续切削加工中使用，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 (9)

1.一种表面包覆切削工具，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，蒸镀形成硬质包覆层，其特征在于，

(a)上述硬质包覆层至少包含由通过化学蒸镀法蒸镀形成的平均层厚为1～20μm的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒组织和存在于该晶粒周围的包含Ti、Al、C及N中的1种或2种以上的非晶相组织构成的复合组织层，

(b)所述复合组织层，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0.60≤X≤0.90、0.0005≤Y≤0.005，其中，X、Y均为原子比，

(c)若将从所述复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L中的立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的与基体表面平行的面内的粒子宽度的平均值设为平均粒子宽度D_L，则该平均粒子宽度D_L为0.1μm以下，并且，若将从复合组织层的表层进入复合组织层的内部0.3μm的位置H的与基体表面平行的面内的粒子宽度的平均值设为平均粒子宽度D_H，则该平均粒子宽度D_H为0.3～2μm，另外，立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的平均粒子宽度形成随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧逐渐增加的粒子宽度分布。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

以从所述复合组织层的基体侧进入复合组织层的内部0.3μm的位置L为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的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，以从复合组织层的表层进入复合组织层的内部0.3μm的位置H为中心进行组成分析，求出立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的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，而且，立方晶结构的Ti和Al的复合碳氮化物晶粒的Al含有比例具有随着从复合组织层的基体侧朝向复合组织层的表层侧而逐渐增加的组成倾斜结构。

3.如权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在由所述碳化钨基硬质合金、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工具基体与所述复合组织层之间存在由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层和碳氮氧化物层中的1层或2层以上构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的Ti化合物层。

4.如权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述硬质包覆层包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层。

5.如权利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述硬质包覆层包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层。

6.如权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合组织层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

7.如权利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合组织层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

8.如权利要求4所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合组织层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。

9.如权利要求5所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合组织层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法蒸镀形成。