CN103962590B - 表面包覆切削工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面包覆切削工具及其制造方法。在由WC基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成平均层厚为2～10μm的硬质包覆层的表面包覆切削工具，即(a)由Al、Ti及Si的复合氮化物层构成的硬质包覆层，该层中Al、Ti及Si的总量中所占的Ti的含有比例为0.3～0.5，Si的含有比例为0.01～0.1，上述含有比例均为原子比，(b)在自上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状结晶组织，且硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.2～0.5μm，工具基体与硬质包覆层的界面的粒状晶粒的平均粒径比硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径小0.02～0.1μm。

Description

表面包覆切削工具及其制造方法
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）及其制造方法，该表面包覆切削工具的硬质包覆层在不锈钢等切削加工中发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性。
背景技术
通常，包覆工具中已知有如下工具：在各种钢和铸铁等工件的车削加工和平面铣削加工中所使用的装卸自如地安装在车刀前端部的可转位刀片、使用于所述工件的钻孔切削加工等的钻头、以及使用于所述工件的端面切削加工、槽加工及台肩加工等的实心式立铣刀等，并且，已知有装卸自如地安装所述可转位刀片且与所述实心式立铣刀同样地进行切削加工的可转位立铣刀工具等。
例如，如专利文献1、2所示，作为包覆工具已知有在由碳化钨（以下，用WC表示）基硬质合金构成的基体（以下，称为工具基体）的表面蒸镀形成由Al、Ti及Si的复合氮化物[以下，用（Al，Ti，Si）N表示]层构成的硬质包覆层而成的包覆工具，已知这种以往的包覆工具中，构成硬质包覆层的所述（Al，Ti，Si）N层具有优异的高温硬度、耐热性、高温强度及高温抗氧化性等，因此发挥优异的切削性能。
并且，已知有能够通过如下方法制造上述以往的包覆工具：例如，如图1所示，将工具基体装入电弧离子镀装置中，并在由加热器将工具基体加热至500℃的温度的状态下，在阳极电极与设置有具有预定组成的Al-Ti-Si合金的阴极电极之间，在电流：90A的条件下发生电弧放电，同时向装置内导入氮气作为反应气体，并设为2Pa的反应气氛，另一方面，在对上述工具基体施加-100V的偏置电压的条件下，在所述工具基体的表面蒸镀形成上述（Al，Ti，Si）N层。
然而，包覆工具中，为了实现其切削性能，尤其为了改善耐崩刀性、耐磨损性等，而对硬质包覆层的组织结构提出有各种建议。
例如，专利文献3中，作为抑制前刀面上的包覆层的缺损而提高了耐缺损性、并且提高了后刀面上的耐磨损性的包覆工具，记载有如下包覆工具（立铣刀），即由柱状结晶构成包覆层，且前刀面上的包覆层厚比后刀面上的包覆层厚薄，且由包覆层表面侧的上层区域的平均结晶宽度比包覆层基体侧的下层区域的平均结晶宽度更大的两个层区域构成，且上层区域的厚度相对于前刀面上的包覆层厚的比率小于上层区域的厚度相对于后刀面上的包覆层厚的比率，且前刀面上的柱状结晶的平均结晶宽度小于后刀面上的柱状结晶的平均结晶宽度。
并且，例如，专利文献4中，作为具备兼顾耐磨损性和韧性，并且与基材的粘附性也优异的被膜的包覆工具，记载有如下包覆工具：形成于基材上的被膜包含第1被膜层，该第1被膜层包括微细组织区域和粗大组织区域，该微细组织区域中，构成该微细组织区域的化合物的平均晶体粒径为10～200nm，并且自该第1被膜层的表面侧占据相对于该第1被膜层的整体厚度成为50%以上的厚度的范围而存在，并且具有作为-4GPa以上-2GPa以下的范围的应力的平均压缩应力，且该第1被膜层在其厚度方向上具有应力分布，在该应力分布中具有两个以上的极大值或极小值，它们的极大值或极小值具有相当于位于厚度方向表面侧的被膜那么高的压缩应力。
专利文献1：日本专利第2793773号公报
专利文献2：日本专利公开2009-39838号公报
专利文献3：日本专利公开2008-296290号公报
专利文献4：日本专利公开2011-67883号公报
近年来切削加工装置的高性能化显著，另一方面，随着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，将在更加苛刻的切削条件下进行切削加工。
上述以往的包覆工具中，能够实现一定程度的耐崩刀性、耐缺损性及耐磨损性的改善，但现状是当将其使用于不锈钢等更加苛刻的切削加工中时，容易产生崩刀、或磨损损伤变大，因此在比较短的时间内达到使用寿命。
发明内容
因此，本发明人等为了提供一种在不锈钢等切削加工中，耐崩刀性及耐磨损性优异，且在长期使用中发挥优异的切削性能的包覆工具及其制造方法，对硬质包覆层的结晶组织结构进行深入研究的结果，得到了以下见解。
以往，制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法一般采用CVD法、PVD法等，并且，例如通过作为PVD法的一种的电弧离子镀法（以下，称为AIP法）成膜由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层时，将工具基体装入装置内，并施加预定的偏置电压的同时将装置内加热至预定温度的状态下，在阳极电极与预定组成的Al-Ti-Si合金靶之间发生电弧放电，同时向装置内导入氮气作为反应气体，并在预定压力的反应气氛中进行蒸镀，由此来成膜硬质包覆层（参考图1）。
本发明人等在成膜根据上述以往的AIP法的由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层时，在工具基体与靶之间施加磁场，并对影响硬质包覆层的组织结构的磁场进行调查研究的结果，发现通过在预定强度的磁场中进行根据AIP法的硬质包覆层的成膜，从而能够调整构成硬质包覆层的粒状晶粒的晶体粒径，并且还能够调整形成于切削刃前端的角部的连续裂纹的裂纹占有率，并且，如此具备已调整硬质包覆层的晶体粒径及裂纹占有率的由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层的包覆工具，在不锈钢等切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
本发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征：
（1）一种包覆工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中，
（a）硬质包覆层由Al、Ti及Si的复合氮化物层构成，并且，该层中Al、Ti及Si的总量中所占的Ti的含有比例为0.3～0.5，Si的含有比例为0.01～0.1（上述含有比例均为原子比），
（b）在自上述包覆工具的后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状结晶组织，并且，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.2～0.5μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面的粒状晶粒的平均粒径比硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径小0.02～0.1μm，并且，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20%以下。
（2）根据上述（1）所述的包覆工具，其中，当将上述包覆工具的刀尖角度设为α度，并将形成于该α度的角度范围内的切削刃前端的角部的硬质包覆层中的连续裂纹的占有角度设为β度时，裂纹占有率β/α为0.3～1.0。
（3）一种制造上述（1）或（2）所述的表面包覆切削工具的方法，其为制造在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面，蒸镀形成平均层厚为2～10μm的硬质包覆层的表面包覆切削工具的方法，其中，具备：基体装入工序，将由碳化钨基硬质合金构成的工具基体装入电弧离子镀装置内，其中，电弧离子镀装置具备阳极电极、由Al-Ti-Si合金构成的靶及设置于上述靶的背面侧的磁力发生源；及蒸镀工序，在上述工具基体上蒸镀形成由Al、Ti及Si的复合氮化物层构成的硬质包覆层，上述蒸镀工序具有：气体导入工序，向上述电弧离子镀装置内导入氮气；施加工序，通过上述磁力发生源在上述靶与上述工具基体之间施加累计磁力在40～150mT×mm的范围内的磁场；放电工序，对上述工具基体施加偏置电压，并且使在上述靶与上述阳极电极之间发生电弧放电；及自转公转工序，使上述工具基体在上述电弧离子镀装置内自转及公转，当上述工具基体与上述靶最接近时，以上述工具基体的后刀面的一部分或全部与上述靶的上述工具基体侧的面呈水平状态的方式支撑上述工具基体。
接着，对该发明的包覆工具进行详细说明。
（a）硬质包覆层的类别、平均层厚：
该发明的硬质包覆层由Al、Ti及Si的复合碳氮化物层（（Al，Ti，Si）N层）构成。上述（Al，Ti，Si）N层中，Al成分提高高温硬度和耐热性，Ti成分提高高温韧性、高温强度，Si具有提高高温硬度及耐热塑性变形性的作用，因此作为高温硬度、耐热性及高温强度优异的硬质包覆层已是众所周知的。
本发明中，若Ti在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比，以下相同）小于0.3，则由于六方晶结晶结构的比例增加而硬度降低，另一方面，若Ti在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比）超过0.5，则导致耐热性降低，其结果，因产生偏磨损及热塑性变形等而导致耐磨损性劣化，因此Ti在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比）需为0.3～0.5。
并且，若Si在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比）小于0.01，则硬度不够充分而无法期待提高耐磨损性的效果，另一方面，若Si在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比）超过0.1，则硬度变得过大而变得容易在切削加工时产生崩刀，因此Si在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例（原子比）需为0.01～0.1。
并且，若由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层的平均层厚小于2μm，则无法经长期发挥优异的耐磨损性，成为工具寿命短的原因，另一方面，若其平均层厚超过10μm，则膜容易自毁，因此其平均层厚需为2～10μm。
（b）由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层的层结构：
本发明中，将上述由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层作为粒状结晶进行成膜，并且，硬质包覆层表面的晶粒的平均晶体粒径（以下，仅称为“表面粒径”）设为0.2～0.5μm，另一方面，将工具基体与硬质包覆层的界面的硬质包覆层的晶粒的平均晶体粒径（以下，仅称为“界面粒径”）设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值而进行成膜，且以使硬质包覆层的结晶组织结构形成为表面粒径和界面粒径成为分别不同的平均晶体粒径范围的方式进行成膜。
其中，“工具基体与硬质包覆层的界面的硬质包覆层的晶粒”意味着形成于硬质包覆层内的自工具基体与硬质包覆层的界面厚度0.5μm的硬质包覆层内部的区域的晶粒，并且，“硬质包覆层表面的晶粒”意味着形成于自硬质包覆层的表面深度0.5μm的区域的晶粒。
并且，其中的“粒状结晶”意味着纵横尺寸比为1以上6以下的晶粒。纵横尺寸比是通过将长边设为分子，短边设为分母来计算在晶粒截面上最长的直径（长边）和与其垂直的直径（短边）的长度之比。
关于平均晶体粒径具体说明如下。
若硬质包覆层表面的晶粒的平均晶体粒径（表面粒径）小于0.2μm，则层中含有的晶界变多，因此切削加工时容易在比晶内相对脆弱的晶界部分产生破坏，耐磨损性恶化。另一方面，若表面粒径超过0.5μm，则层中含有的晶界较少，因此切削加工时负荷容易局部施加于晶界且在产生裂纹时容易扩展，耐崩刀性恶化。因此，切削加工时变得无法在长期使用中发挥充分的耐磨损性及耐崩刀性，因此表面粒径设定为0.2～0.5μm。
关于工具基体与硬质包覆层的界面的硬质包覆层的晶粒的平均晶体粒径（界面粒径），需设为比表面粒径仅小0.02～0.1μm的值，其技术性的理由是，超过表面粒径0.1μm而界面粒径较小时，由于硬质包覆层表面区域与界面区域的平均粒径之差而导致反映出切削加工时在表面区域与界面区域的耐磨损性之差，从而变得容易在切削加工时产生磨损和崩刀，产生切削性能恶化的问题。
另一方面，界面粒径与表面粒径之差在0.02μm以内时，因在表面与界面粒径相同而耐磨损性变得相同，进行切削时无法赋予提高耐磨损性的作用。
另外，本发明中，通过将界面粒径设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值，由此，进行切削加工时，在硬质包覆层表面的耐磨损性的提高效果与在界面区域的耐崩刀性的提高效果协同作用，从而能够在长期使用中发挥充分的耐磨损性及耐崩刀性。
粒径的测定方法如下述。
从工具基体刀尖切出后刀面侧的截面，并利用SEM对其截面进行观察。使用形成于自硬质包覆层表面深度0.5μm的区域的各晶粒，与工具基体表面平行地画出直线，并将晶界之间的距离定义为粒径。另外，将与工具基体表面平行地画出直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶体粒径的位置。在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内测定晶体粒径，并将其平均晶体粒径的平均值设为表面粒径。更具体而言，在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距离50μm的位置以及自刀尖距离100μm的位置这三处，测定在宽度10μm的范围内存在的结晶的晶体粒径，并且，将在这三处的晶体粒径的平均值设为表面粒径。并且，在形成于硬质包覆层内的自工具基体与硬质包覆层的界面厚度0.5μm的区域的各晶粒中也通过同样的方法计算界面粒径。
并且，在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内（具体进行测定的有后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距离50μm的位置以及自刀尖距离100μm的位置这三处），关于表面粒径及界面粒径中的任一个，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例均需为20%以下，这是因为，在粒径为0.15μm以下的微细晶粒超过20%而形成时，层中含有的晶界变多，因此切削加工时容易在比晶内相对脆弱的晶界部分产生破坏，耐磨损性恶化。
其中，“粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例”表示对多个晶粒的粒径进行测定，且粒径0.15μm以下的晶体粒径长度之和相对于其所有测定晶体粒径长度之和的比例。
如图3所示，使用存在于虚线部的晶粒，测定各晶体粒径之后，计算表面粒径、界面粒径及粒径为0.15μm以下的晶体粒径长度比例。另外，虚线部的宽度设为各10μm。并且，所谓“刀尖”在本发明中定义为，如图3所示，“除切削刃前端的角部的呈圆锥形状的部分之外的，接近直线状切削刃的最前端的部分”。
本发明中，进一步如图4所示，将包覆工具的刀尖角度设为α度，且将在该α度的角度范围内的硬质包覆层中所形成的连续裂纹的占有角度设为β时，优选将切削刃前端的角部的裂纹占有率β/α设为0.3～1.0，更优选β/α为0.3～0.9。
其理由如下。
使用电弧离子镀装置（AIP装置）在工具基体表面形成硬质包覆层时，层中蓄积有压缩残余应力，尤其在晶体粒径较大的层中，压缩残余应力集中在晶界，且容易成为龟裂的起点。
然而，根据本发明，切削刃前端的角部的硬质包覆层中预先形成有裂纹，因此残余应力的集中会降低，尤其能够抑制因切削开始初期产生崩刀等引起的切削性能的下降。
其中，β/α小于0.3时，无法期待压缩残余应力的集中抑制效果，因此β/α设定为0.3以上。
从压缩残余应力的集中抑制效果的观点来看，无需设置β/α的值的上限（即，β/α为0.3～1.0），但β/α的值越接近1.0，则变得越容易在硬质包覆层与工具基体界面产生界面剥离，因此β/α的值优选为0.3～0.9。
其中，裂纹占有率在本发明中定义如下。
如图4所示，将通过后刀面上的刀尖A的后刀面的垂线与通过前刀面上的刀尖B的前刀面的垂线的交点设为中心O时，将A-O-B所成的角度称为刀尖角度α（度）。
并且，关于形成于切削刃前端的角部的硬质包覆层中的连续裂纹，自所述中心O画出与连续的一个裂纹的端部C、D连接的线时，将C-O-D所成的角度设为连续裂纹的占有角度β（度）。其中，当裂纹横穿O-A或O-B的延长线上时，将延长线与裂纹的交点分别设为C、D。切削刃前端的角部的硬质包覆层中存在多个裂纹时，设为使用表示最大占有角度的连续裂纹。
并且，将（连续裂纹的占有角度β）/（刀尖角度α）的值定义为裂纹占有率。图4的（b）中，将表示刀尖角度α内的最大角度β的裂纹作为裂纹的端部C、D来表示。
另外，本发明包覆工具将由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层的平均层厚设定为2～10μm，将Ti在Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例设定为0.15～0.45（原子比），将粒状晶粒的表面粒径、界面粒径设定在特定的数值范围内，并且，在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内的粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例设定为20%以下，由此刀尖的裂纹占有率β/α自然成为0.3～1。
（c）硬质包覆层的蒸镀形成该发明的硬质包覆层能够通过如下方法形成，即使用如图2的（a）、（b）所示的电弧离子镀装置（AIP装置），将工具基体的温度维持在370～450℃的同时，使工具基体在AIP装置内自转及公转，并对靶表面中心与最接近于靶的工具基体之间施加预定的磁场（累计磁力为40～150mT×mm）的同时进行蒸镀而形成。
例如，在AIP装置的一侧设置由基体清洗用Ti电极构成的阴极电极，在另一侧设置由54at%Al-41at%Ti-5at%Si合金构成的靶（阴极电极），
首先，对由碳化钛（WC）基硬质合金构成的工具基体进行清洗/干燥，且安装在AIP装置内的旋转台上，并在真空中在基体清洗用的Ti电极和阳极电极之间发生100A的电弧放电而对工具基体施加-1000V的偏置电压的同时对工具基体表面进行轰击清洗，
接着，施加自Al-Ti-Si合金靶的表面中心到最接近靶的工具基体为止的累计磁力在40～150mT×mm范围的磁场，
接着，向装置内导入氮气作为反应气体并设为6Pa的气氛压力，且将工具基体的温度维持在370～450℃，并对工具基体施加-50V的偏置电压，并且在Al-Ti-Si合金靶（阴极电极）与阳极电极之间发生100A的电弧放电，工具基体最接近靶时，将工具基体支撑为后刀面的一部分或全部与靶面呈水平状态而进行自转及公转的同时进行蒸镀，由此能够蒸镀形成由具有本发明的层结构的（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层。
另外，关于对上述Al-Ti-Si合金靶与工具基体之间施加磁场，能够通过例如在阴极周边设置作为磁场发生源的电磁线圈或永久磁铁，或者在AIP装置的内部、中心部配置永久磁铁等任意的方法形成磁场。
其中本发明的累计磁力通过以下的计算方法计算。
通过磁通密度计，在自Al-Ti-Si合金靶中心到工具基体的位置为止的直线上以10mm间隔测定磁通密度。磁通密度以单位mT（毫特）表示，自靶表面到工具基体的位置为止的距离以单位mm（毫米）表示。另外，将自靶表面到工具基体的位置为止的距离设为横轴，且将磁通密度以纵轴的曲线表示时，将相当于面积的值定义为累计磁力（mT×mm）。
其中，工具基体的位置设为与Al-Ti-Si合金靶最接近的位置。另外，在磁通密度的测定中，只要是形成磁场的状态，则不为放电中也可，例如也可在大气压下以未放电的状态进行测定。
该发明的包覆工具为由预定组成的（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层，但自刀尖距离100μm的位置为止的范围内由粒状结晶组织构成，并且，表面粒径为0.2～0.5μm，并且，界面粒径比表面粒径小0.02～0.1μm，并且，在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20%以下，刀尖的裂纹占有率β/α为0.3～1.0，因此在不锈钢等的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
附图说明
图1表示以往的AIP装置的示意说明图，且（a）表示俯视图，（b）表示侧视图。
图2表示用于制作本发明的包覆工具的AIP装置的示意说明图，且（a）表示俯视图，（b）表示侧视图。
图3表示本发明的包覆工具的纵截面示意说明图。
图4为说明本发明的包覆工具的刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β及裂纹占有率之间的关系的图，（a）表示包括切削刃前端的角部的硬质包覆层的截面SEM照片（倍率：10000倍）、（b）表示其示意图。
具体实施方式
接着，通过实施例对该发明进行具体说明。
[实施例1]
作为原料粉末，准备具有平均粒径为5.5μm的中粗粒WC粉末，平均粒径为0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径为1.3μm的TaC粉末、平均粒径为1.2μm的NbC粉末、平均粒径为1.2μm的ZrC粉末、平均粒径为2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径为1.5μm的VC粉末、平均粒径为1.0μm的（Ti，W）C[以质量比计为TiC/WC=50/50]粉末及平均粒径为1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别配合成表1所示的配合组成，再加入蜡而在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，在100MPa的压力下冲压成型为预定形状的各种压坯，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℃范围内的预定温度，保持该温度1小时后，在炉冷的条件下进行烧结，形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体，再通过磨削加工从所述圆棒烧结体分别制造出具有切削刃部的直径×长度为6mm×13mm的尺寸及螺旋角为30度的双刃球形形状的WC基硬质合金制工具基体（立铣刀）1～5。
（a）将上述工具基体1～5分别在丙酮中进行超声波清洗，在已干燥的状态下，在图2所示的AIP装置的旋转台上的中心轴向半径方向距离预定距离的位置上沿外周部进行安装，且在AIP装置的一侧配置轰击清洗用Ti阴极电极，在另一侧配置由预定组成的Al-Ti-Si合金构成的靶（阴极电极），
（b）首先，对装置内进行排气而保持为真空，并且用加热器将工具基体加热至400℃之后，对边在所述旋转台上自转边旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，并且，使100A的电流流过Ti阴极电极与阳极电极之间而发生电弧放电，进而轰击清洗工具基体表面。
（c）接着，施加各种磁场，以使自上述Al-Ti-Si合金靶的表面中心到工具基体为止的累计磁力在40～150mT×mm范围内。
其中，以下叙述累计磁力的计算方法。通过磁通密度计，在自Al-Ti-Si合金靶中心到工具基体的位置为止的直线上以10mm的间隔测定磁通密度。磁通密度以单位mT（毫特）表示，自靶表面到工具基体的位置为止的距离以单位mm（毫米）表示。另外，将自靶表面到工具基体的位置为止的距离设为横轴，且将磁通密度以纵轴的曲线表示时，将相当于面积的值定义为累计磁力（mT×mm）。其中，工具基体的位置设为与Al-Ti-Si合金靶最接近的位置。另外，磁通密度的测定在形成磁场的状态下未在大气压下事先放电的状态下进行测定。
（d）接着，向装置内导入氮气作为反应气体而设为6Pa的反应气氛，并且将边在所述旋转台上自转边旋转的工具基体的温度维持在370～450℃范围内，并且施加-50V的直流偏置电压，并使100A电流流过所述Al-Ti-Si合金靶与阳极电极之间而发生电弧放电，进而在所述工具基体的表面蒸镀形成由表2所示的组成及目标平均层厚的（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层，
由此，分别制造出作为本发明包覆工具的表面包覆立铣刀1～7（以下，称为本发明1～7）。
另外，图2所示的AIP装置中，工具基体与Al-Ti-Si合金靶最接近时，以后刀面的一部分或全部与Al-Ti-Si合金靶的上述工具基体侧的面呈水平状态的方式安装支撑工具基体。
比较例1：
以比较为目的，变更上述实施例1中的（c）的条件（即，自Al-Ti-Si合金靶的表面中心到工具基体为止的累计磁力低于40mT×mm或超过150mT×mm），并且，变更（d）的条件（即，工具基体维持低于370℃，或超过450℃的温度），其他以与实施例1相同的条件，分别制造作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀1～5（以下，称为比较例1～5）。另外，由实施例1分别制造Ti、Si在包覆层中的Al、Ti及Si的总量中所占的含有比例在本发明的范围外，包覆层的平均层厚在2～10μm的范围外的表面包覆立铣刀6～10。
对于通过上述制作的本发明1～7及比较例1～10，观察其纵截面的硬质包覆层的晶粒形态的结果，均由纵横尺寸比为1以上6以下的粒状结晶组织构成。纵横尺寸比是指以长边为分子，短边为分母，计算在晶粒截面上最长的直径（长边）和与其垂直的直径（短边）的长度之比。
另外，通过扫描型电子显微镜（SEM）测定该粒状结晶的晶体粒径，并求出自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内的表面粒径、界面粒径。具体而言如下求出：在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距离50μm的位置以及自刀尖距离100μm的位置这三处，计算在宽度10μm的范围内存在的结晶的所有晶体粒径，并计算在这三处的位置的平均值。
并且，以同样的方法，在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距离50μm的位置以及自刀尖距离100μm的位置的界面和表面共六处进行测定而求出粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例。
在表2、表3中示出通过上述测定/计算的各值。
另外，如下对上述晶体粒径的测定法、粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例的测定法更具体地进行说明。
包括包覆工具的切削刃前端的角部，对后刀面的截面进行研磨加工之后，通过SEM图像对其截面进行观察。作为测定条件，使用观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。使用形成于自硬质包覆层表面深度0.5μm的区域的各晶粒，与工具基体表面平行地画出直线，将晶界之间的距离定义为粒径。另外，将与工具基体表面平行地画出直线的位置作为各晶粒中成为最长的晶体粒径的位置。在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，作为具体的测定点，在后刀面上刀尖、后刀面上的自刀尖距离50μm的位置以及自刀尖距离100μm的位置这三处测定存在于宽度10μm的范围内的结晶的晶体粒径，并且，将在这三处的平均晶体粒径的平均值作为表面粒径。测定宽度10μm的粒径时，使用以各测定部位为中心在刀尖侧5μm、与刀尖相反一侧5μm的各晶粒。其中，在后刀面上的刀尖处，将自刀尖距离5μm的位置为中心而在刀尖侧5μm、与刀尖相反一侧5μm的宽度10μm的范围内进行了测定。并且，对于形成于硬质包覆层内的自工具基体与硬质包覆层的界面在厚度0.5μm的区域的各晶粒，也以同样的方法计算界面粒径。
并且，关于粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例的测定方法，使用在对上述粒径进行测定的界面三处及表面三处进行测定的晶体粒径的所有测定数据。将粒径为0.15μm以下的晶体粒径之和相对于所测定的所有晶体粒径之和的比例，作为粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例。
另外，对本发明1～7及比较例1～10的刀尖角度α进行测定，并且对切削刃前端的角部的硬质包覆层中的连续裂纹的占有角度β进行测定，并计算裂纹占有率β/α的值。
在表2、表3中示出它们的值。
另外，如下对上述刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β的测定法进行更具体的说明。
为测定晶体粒径而观察的SEM图像中，使用切削刃前端部的截面SEM图像。测定条件使用观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。将本发明4的切削刃前端部的截面SEM图像（a）及示意图（b）示于图4。用图4的（b）进行说明。将后刀面上的刀尖设为A、前刀面上的刀尖设为B。画出通过A的后刀面的垂线、通过B的前刀面的垂线，且将这两条垂线的交点设为中心O。将刀尖角度α（度）设为A-O-B所成的角度。
并且，关于形成于切削刃前端的角部的硬质包覆层中的连续裂纹，从所述中心O投射该裂纹时，将与通过A的后刀面的垂线最近的部位设为C、与通过B的后刀面的垂线最近的部位设为D。连续裂纹的占有角度β（度）设为C-O-D所成的角度。另外，当在切削刃前端的角部的硬质包覆层中存在多个裂纹时，将由表示最大值的连续裂纹计算的值定义为连续裂纹的占有角度β。
并且，将（连续裂纹的占有角度β）/（刀尖角度α）的值定义为裂纹占有率。
[表1]
[表2]
[表3]
接着，对于上述本发明1～7及比较例1～10的立铣刀，以下述的条件实施不锈钢的侧面切削加工试验，并对切削刃的后刀面磨损宽度进行测定。
工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SUS630的板材、
旋转速度：5600min.-1、
纵向切深量：2mm、
横向切深量：0.2mm
进给速度（每1刃）：0.06mm/tooth、
切削长度：140m、
将该测定结果示于表4。
[表4]
（表中，比较例栏的（※）表示因崩刀和磨损而达到使用寿命（后刀面磨损宽度0.2mm）为止的切削长度（m））
从表4所示的结果可知，本发明包覆工具中，将由（Al，Ti，Si）N层构成的硬质包覆层的粒状晶粒的表面粒径、界面粒径设定在特定的数值范围内，并且，在自后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围的粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例设定为20%以下，并且，将裂纹占有率设定为0.3～1.0，从而在不锈钢等切削加工中发挥优异的耐崩刀性，并且发挥优异的耐磨损性。
与此相对，硬质包覆层的结构脱离了本发明中规定的范围的比较例包覆工具中，可知因产生崩刀或耐磨损性下降而在比较短的时间达到使用寿命。
产业上的可利用性
如上述，该发明的包覆工具在不锈钢等的切削加工中使用时，经长期显示出优异的切削性能，因此能够足以应对切削加工装置的FA化以及切削加工的节省劳力化、节能化及低成本化。

Claims (3)

1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其特征在于，
（a）硬质包覆层由Al、Ti及Si的复合氮化物层构成，并且，该层中Al、Ti及Si的总量中所占的Ti的含有比例为0.3～0.5，Si的含有比例为0.01～0.1，上述含有比例均为原子比，
（b）在自上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状结晶组织，且硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.2～0.5μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面的粒状晶粒的平均粒径比硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径小0.02～0.1μm，并且，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20%以下。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
当将上述表面包覆切削工具的刀尖角度设为α度，并将形成于该α度的角度范围内的切削刃前端的角部的硬质包覆层中的连续裂纹的占有角度设为β度时，裂纹占有率β/α为0.3～1.0。
3.一种制造权利要求1或2所述的表面包覆切削工具的方法，其为制造在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成平均层厚为2～10μm的硬质包覆层的表面包覆切削工具的方法，其特征在于，具备：
基体装入工序，将由碳化钨基硬质合金构成的工具基体装入电弧离子镀装置内，其中，电弧离子镀装置具备阳极电极、由Al-Ti-Si合金构成的靶及设置于上述靶的背面侧的磁力发生源；及蒸镀工序，在上述工具基体上蒸镀形成由Al、Ti及Si的复合氮化物层构成的硬质包覆层，
上述蒸镀工序具有：气体导入工序，向上述电弧离子镀装置内导入氮气；施加工序，通过上述磁力发生源在上述靶与上述工具基体之间施加累计磁力在40～150mT×mm的范围内的磁场；放电工序，对上述工具基体施加偏置电压，并且使在上述靶与上述阳极电极之间发生电弧放电；及自转公转工序，使上述工具基体在上述电弧离子镀装置内自转及公转，
当上述工具基体与上述靶最接近时，以上述工具基体的后刀面的一部分或全部与上述靶的上述工具基体侧的面呈水平状态的方式支撑上述工具基体。
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