CN104726848B - 表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种硬质包覆层在高速重切削、高速断续切削中发挥优异的耐剥离性、耐崩刀性的表面包覆切削工具。硬质包覆层的下部层的最表面层由规定的含氧TiCN层构成，上部层具有2～15μm的平均层厚且由在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构的Al₂O₃层构成，在构成该Al₂O₃层的各个晶粒内，纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计占整个上部层的60～90％，且平均粒径包含于0.1～1.0μm的范围，对于整个上部层的Al₂O₃晶粒，测定(0001)面的法线所成的倾斜角时，该倾斜角在0～10度的范围内的Al₂O₃晶粒的度数的总计为倾斜角度数分布图中的所有度数的60％以上，纵横尺寸比小于3的各个晶粒的晶粒内平均方位差小于5度，由此解决前述课题。

Description

表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种长期显示优异的耐磨性的表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)。该包覆工具中，即使在高速且断续性、冲击性负载作用于切削刃的断续切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工，硬质包覆层也发挥优异的耐剥离性及耐崩刀性。

背景技术

以往，已知有通常在由碳化钨(以下，以WC表示)基硬质合金或碳氮化钛(以下，以TiCN表示)基金属陶瓷构成的基体(以下，将这些统称为工具基体)的表面蒸镀形成由以下(a)及(b)构成的硬质包覆层而成的包覆工具：(a)下部层为由Ti 的碳化物(以下，以TiC表示)层、氮化物(以下，以TiN表示)层、碳氮化物(以下，以TiCN表示)层、碳氧化物(以下，以TiCO表示)层及碳氮氧化物(以下，以 TiCNO表示)层中的一层或两层以上构成的Ti化合物层；(b)上部层为在化学蒸镀状态下具有α型晶体结构的氧化铝层(以下，以Al₂O₃层表示)。

但是，如前述的以往的包覆工具，虽然例如在各种钢或铸铁等的连续切削中发挥优异的耐磨性，但是将此用于高速断续切削中时，易发生包覆层的剥离或崩刀，存在工具寿命变短的问题。

为此，为了抑制包覆层的剥离、崩刀，提出了对下部层、上部层加以改良的各种包覆工具。

例如，专利文献1中公开有如下内容，即包覆层依次层叠有TiCN层与Al₂O₃层，在100μm²区域观察时，TiCN层由平均粒子宽度为3～6μm且各粒子的粒径分布以标准偏差σ计为平均粒子宽度的0.3倍以下的TiCN粒子构成，Al₂O₃层由10～30面积％的粒径为3～6μm的Al₂O₃巨大粒子及70～90面积％的粒径为0.3～1.5μm的Al₂O₃微细粒子构成，由此获得优异的耐崩刀性及耐缺损性。

并且，专利文献2中公开有如下内容，即包覆层包含一层或若干层的耐火物层，至少一层为沿(104)方向集合组织化的密集微细晶体的α型Al₂O₃层，由此显示出优异的表面精加工且显示出得到很大改良的磨损性及韧性特性。

并且，专利文献3中公开有如下内容，即一种蒸镀形成下部层为Ti化合物层且上部层由α型Al₂O₃层构成的硬质包覆层而成的表面包覆切削工具，其中，下部层正上方的Al₂O₃晶粒的30～70％由(11～20)取向Al₂O₃晶粒构成，上部层的所有Al₂O₃晶粒的45％以上由(0001)取向Al₂O₃晶粒构成，更优选下部层的最表面层由仅在至 500nm为止的深度区域含有0.5～3原子％的氧的含氧TiCN层构成，并且下部层最表面层的含氧TiCN晶粒数与下部层和上部层的界面中的Al₂O₃晶粒数之比的值为0.01～ 0.5，由此硬质包覆层在高速重切削、高速断续切削中发挥优异的耐剥离性、耐崩刀性。

并且，专利文献4中公开有如下内容，即一种在工具基体的表面包覆形成有由Ti化合物层构成的下部层和由Al₂O₃层构成的上部层的表面包覆切削工具，其中，对于上部层的Al₂O₃晶粒，测定(0001)面的法线所成的倾斜角，当距相邻的测定点的测定倾斜角的角度差为5度以上时是不同的晶粒，从而来确定晶粒，求出各个晶粒的纵横尺寸比时，纵横尺寸比小于5的晶粒以面积比计占10～50％，且纵横尺寸比为5以上的晶粒以面积比计占50～90％，并且，求出各个晶粒的晶粒内平均方位差时，纵横尺寸比小于5的晶粒的晶粒内平均方位差的平均值显示为小于5度，另一方面，所述纵横尺寸比为5以上的晶粒的晶粒内平均方位差的平均值显示为5度以上，由此在高速断续切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性。

专利文献1：日本专利公开2012-144766号公报

专利文献2：日本专利公开平9-507528号说明书

专利文献3：日本专利公开2013-63504号公报

专利文献4：日本专利公开2013-111721号公报

近年来，切削装置的高性能化显著，另一方面，对于切削加工的省力化、节能化以及低成本化的要求强烈。随此，切削加工更加高速化，并且高切深量和高进给速度等的重切削、断续切削等中存在对切削刃施加高负载的倾向。将前述的以往的包覆工具用于钢或铸铁等的通常条件下的连续切削时并没有问题。但是，在高速断续切削条件下使用以往的包覆工具时，构成硬质包覆层的由Ti化合物层构成的下部层及由 Al₂O₃层构成的上部层的紧贴强度不充分。因此，产生上部层与下部层之间的剥离、崩刀等异常损伤，在比较短的时间内达到工具寿命。

发明内容

为此，本发明人等从如前述的观点出发，为了改善由Ti化合物层构成的下部层与由Al₂O₃层构成的上部层的紧贴性，由此防止剥离、崩刀等异常损伤的发生，并且实现工具寿命的长寿命化，进行了深入研究，其结果，得到了以下见解。

(1)发现包覆形成有由Ti化合物层构成的下部层及由Al₂O₃层构成的上部层的包覆工具中，通过实现Al₂O₃的微粒化，能够抑制裂纹向膜厚方向的扩散，并且松弛残留应力。通过这些，实现耐剥离性的提高。

(2)并且，发现通过实现上部层的Al₂O₃的微粒化，与形成于下部层与上部层之间的含氧TiCN层的紧贴性得到提高，其结果，耐剥离性得到提高。

(3)发现通过在下部层的最表面形成由含氧TiCN层构成的中间层，上部层的C 轴取向性得到提高，高温硬度、高温强度得到提高。

(4)发现关于Al₂O₃的微粒化，通过在形成Al₂O₃时增加HCl气体分压来产生蚀刻，引起新的核形成，其结果，产生Al₂O₃的微细化。

本发明是根据前述见解反复进行研究的结果完成的，其具有如下特征。

一种表面包覆切削工具，其具备：工具基体，由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成；及硬质包覆层，蒸镀形成于该工具基体的表面，所述表面包覆切削工具的特征在于，

所述硬质包覆层具有形成于工具基体表面的下部层及形成于该下部层上的上部层，

(a)所述下部层具有3～20μm的总平均层厚，由TiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNO 中的两层以上构成，其中至少一层由以TiCN层构成的Ti化合物层构成，

(b)所述下部层的最表面层由具有至少500nm以上的层厚的TiCN层构成，仅在从该TiCN层与所述上部层的界面到沿所述TiCN层的层厚方向最大500nm为止的深度区域含有氧，所述深度区域中含有的平均氧含量为所述深度区域中含有的Ti、C、N、 O的总含量的0.5～3原子％，

(c)所述上部层具有2～15μm的平均层厚且由在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构的Al₂O₃层构成，求出构成该Al₂O₃层的各个晶粒的纵横尺寸比时，该纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计占整个上部层的60～90％，且所述纵横尺寸比小于3的晶粒的平均粒径包含于0.1～1.0μm的范围，

(d)对于整个所述上部层的Al₂O₃晶粒，通过使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置，对每个存在于该上部层的剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的结晶面即(0001)面的法线相对于工具基体表面的法线所成的倾斜角时，将所述测定倾斜角中在0～45度范围内的测定倾斜角按 0.25度的间距进行分区，并且以合计存在于各分区内的度数而成的倾斜角度数分布图表示时，该倾斜角在0～10度范围内的Al₂O₃晶粒在该倾斜角分区中存在的度数的总计为倾斜角度数分布图中的所有度数的60％以上，

(e)所述(c)中记载的整个上部层的Al₂O₃晶粒中，纵横尺寸比小于3的各个晶粒的晶粒内平均方位差小于5度。

在此，对前述的本发明的结构进行详细说明。

(a)下部层：

构成下部层的Ti化合物层(例如，TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层及TiCNO 层)基本上作为Al₂O₃层的下部层而存在，通过本身具备的优异的高温强度，对硬质包覆层赋予高温强度。此外，Ti化合物层均紧贴于工具基体表面、由Al₂O₃层构成的上部层的任一个，具有维持硬质包覆层相对于工具基体的紧贴性的作用。然而，当该 Ti化合物层的总平均层厚小于3μm时，无法充分发挥前述作用。另一方面，当该Ti 化合物层的总平均层厚超过20μm时，尤其在伴有高热产生的高速重切削、高速断续切削中容易引起热塑性变形，成为偏磨损的原因。由于以上原因，将Ti化合物层的总平均层厚设定为3～20μm。

(b)下部层的最表面层：

本发明中的下部层的最表面层例如如下形成。

即，首先，使用通常的化学蒸镀装置，蒸镀形成由TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO 层及TiCNO层中的一层或两层以上构成的各种Ti化合物层(另外，当然也可以仅蒸镀形成TiCN层)。之后，同样使用通常的化学蒸镀装置，在如下条件下进行化学蒸镀，作为下部层的最表面层，形成含有氧的TiCN(以下，称为含氧TiCN)层。所述条件为：反应气体组成(容量％)：TiCl₄2～10％、CH₃CN 0.5～1.0％、N₂25～60％，剩余部分为H₂；反应气氛温度：800～900℃；反应气氛压力：6～10kPa。

此时，在获得规定层厚所需的蒸镀时间结束前的5分钟到30分钟的期间，以相对于总反应气体量成为1～5容量％的方式添加CO气体来进行化学蒸镀，由此蒸镀形成仅在沿层厚方向最大500nm为止的深度区域含有氧的含氧TiCN层，所述含氧TiCN 层的平均含氧量为该深度区域中含有的Ti、C、N、O的总含量的0.5～3原子％。

由含氧TiCN层构成的所述下部层的最表面层，例如，为了在其之上形成优选的Al₂O₃晶粒(参考后述(c))而形成为至少500nm以上的层厚，并且还仅在从该含氧 TiCN层与上部层的界面到沿层厚方向最大500nm为止的深度区域含有该深度区域中含有的Ti、C、N、O的总含量的0.5至3原子％的氧，从而仅在最大500nm为止的深度区域中含有氧。

在此，之所以如前述那样限定含氧TiCN层的深度区域是因为，若在比500nm深的区域含有氧，则TiCN最表面的组织形态从柱状组织变化成粒状组织，并且无法将下部层的最表面层正上方的Al₂O₃晶粒的倾斜角度数分布设为所希望的分布。

但是，若至深度区域500nm为止的平均含氧量小于0.5原子％，则无法期待上部层与下部层TiCN的紧贴强度的提高，而且无法满足下部层的最表面层正上方的Al₂O₃晶粒的倾斜角度数分布。另一方面，若该深度区域中的平均含氧量超过3原子％，则界面正上方的上部层Al₂O₃中，(0001)取向Al₂O₃晶粒(另外，对于(0001)取向Al₂O₃晶粒，将进行后述)所占的面积比例相对于整个上部层的Al₂O₃的所有面积小于60面积％，上部层的高温强度下降。

在此，平均含氧量为以原子％(＝O/(Ti+C+N+O)×100)表示从构成下部层的最表面层的所述TiCN层与上部层的界面到沿该TiCN层的层厚方向500nm为止的深度区域中氧(O)在钛(Ti)、碳(C)、氮(N)及氧(O)的总含量所占的含量。

(c)上部层的Al₂O₃晶粒：

在下部层的最表面层蒸镀形成所述(b)的含氧TiCN层之后，在以下条件下形成上部层的Al₂O₃层。

即，在以下条件下处理在所述(b)中形成的含氧TiCN层的表面，即，

反应气体组成(容量％)：CO 3～10％、CO₂3～10％、剩余部分为H₂、

气氛温度：950～1000℃、

气氛压力：5～15kPa、

处理时间：1～5min，之后，

＜Al₂O₃初期生长＞

在以下条件下进行蒸镀，即，

反应气体组成(容量％)：AlCl₃1～3％、CO₂1～5％、HCl 0.3～1.0％、剩余部分为H₂、

气氛温度：950～1000℃、

气氛压力：5～15kPa、

处理时间：5～30min，之后，

＜形成Al₂O₃上层＞

在以下条件下进行蒸镀，即，

反应气体组成(容量％)：AlCl₃1.5～5.0％、CO₂2～8％、HCl 3～8％、H₂S 0.5～1.0％、剩余部分为H₂、

反应气氛温度：950～1000℃、

反应气氛压力：5～15kPa、

处理时间：(直到达到上部层目标层厚)，

由此形成由具有规定的倾斜角度数分布的(0001)取向的具有α型晶体结构的微细粒状Al₂O₃晶粒构成的上部层。此时，与形成Al₂O₃上层时的其他反应气体相比，将HCl气体分压设定为相对较高，由此通过蚀刻晶粒表面并引起成膜中的二次核形成，实现构成Al₂O₃层的晶粒的微细化。

另外，若整个上部层的层厚小于2μm，则无法在长期使用中发挥优异的高温强度及高温硬度，另一方面，若超过15μm，则易产生崩刀，因此将上部层的层厚设定为 2～15μm。

而且，对于构成上部层的具有α型晶体结构的微细粒状Al₂O₃晶粒，进行详细分析的结果，作为粒状的程度，优选纵横尺寸比小于3的晶粒相对于整个上部层以面积比计为60～90％，作为微细化的程度，优选平均粒径包含于0.1～1.0μm的范围。

作为其理由，若纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计小于整个上部层的60％，则纵横尺寸比为3以上的晶粒的比例相对增加，抑制裂纹扩散的效果降低，因此不优选。另一方面，若纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计超过整个上部层的90％，其结果， (0001)取向Al₂O₃晶粒的比例减少，高温强度及高温硬度降低，因此不优选。因此，纵横尺寸比小于3的晶粒设定为相对于整个上部层以面积比计为60～90％。并且，若纵横尺寸比小于3的晶粒的平均粒径小于0.1μm，则无法在长期使用中确保耐磨性，另一方面，若超过1.0μm，则由于粒子的粗大化，裂纹扩散的抑制效果降低。因此，纵横尺寸比小于3的晶粒的粒径设定为0.1～1.0μm。另外，晶粒粒径的控制能够通过调整蒸镀条件来进行。

(d)上部层的(0001)面取向Al₂O₃晶粒的倾斜角度数分布：

能够通过以下顺序测定具有上部层的六方晶格的Al₂O₃晶粒的结晶面即(0001) 面的法线相对于工具基体表面的法线所成的倾斜角(参考图2)。

首先，制备相对于本实施方式的表面包覆工具基体垂直的工具剖面研磨面(参考图1)。接着，将形成于下部层的最表面层正上方(上部层与下部层的界面正上方)的所述(c)的Al₂O₃晶粒作为测定对象，使用场发射式扫描电子显微镜，对每个存在于所述工具剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射电子射线，获得有关所述Al₂O₃晶粒的取向性的数据。并且，在该数据的基础上，测定所述晶粒的结晶面即 (0001)面的法线相对于所述工具基体表面的法线所成的倾斜角(参考图2)时，将所述测定倾斜角中在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行分区，并且以合计存在于各分区内的度数而成的倾斜角度数分布图表示。并且，测定该倾斜角在0～ 10度的范围内的Al₂O₃晶粒在该倾斜角分区中存在的度数的总计在倾斜角度数分布图中的所有度数中所占的面积比例。

关于通过前述顺序获得的Al₂O₃晶粒的(0001)面的法线所成的倾斜角，通过使所述蒸镀条件中的CO₂气体量或H₂S气体量相对于AlCl₃气体量的比相对较多，能够获得倾斜角度数分布图中存在于0～10度的倾斜角分区中的度数比例为所有度数的 60％以上的值。若(0001)取向Al₂O₃晶粒，即(0001)面的法线所成的倾斜角存在于0～10度的倾斜角分区中的Al₂O₃晶粒小于倾斜角度数分布图中的所有度数的60％，则高温强度及高温硬度降低。

因此，对于上部层与下部层的界面正上方的上部层Al₂O₃晶粒，Al₂O₃晶粒的(0001)面的法线相对于工具基体表面的法线的倾斜角在0～10度范围内的晶粒的度数的总计设定为倾斜角度数分布图中的所有度数的60％以上。

(e)上部层的纵横尺寸比小于3的晶粒的晶粒内平均方位差：

首先，使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置，对每个存在于剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射电子射线，测定晶粒的结晶面即 (0001)面的法线相对于工具基体表面的法线所成的倾斜角，在相邻的像素之间存在 5°以上的方位差时，将相互相邻的像素的边界作为晶界，将被晶界包围且未被其他晶界分断的范围定义为一个晶粒。在此，一个像素是使用分析软件对使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置对试料照射电子射线时观察到的图像进行分析时的构成图像内的晶粒图像的最小单位。

并且，在处于晶粒内的像素与相同晶粒内的其他所有像素之间计算方位差，并将对其进行平均化的值作为晶粒内平均方位差。对使用电子背散射衍射装置观察到的 Al₂O₃的晶粒之间进行这些测定。

本发明的上部层的纵横尺寸比小于3的晶粒的晶粒内平均方位差小于5度，即通过使纵横尺寸比较低的粒状组织选择性地(0001)取向，创造出优异的耐磨性。

根据本发明的包覆工具，硬质包覆层具有形成于工具基体表面的下部层及形成于该下部层上的上部层，(a)下部层具有3～20μm的总平均层厚，由TiC、TiN、TiCN、 TiCO、TiCNO中的两层以上构成，其中至少一层由以TiCN层构成的Ti化合物层构成， (b)下部层的最表面层由具有至少500nm以上的层厚的TiCN层构成，仅在从该TiCN 层与所述上部层的界面到沿所述TiCN层的层厚方向最大500nm为止的深度区域含有氧，该深度区域中含有的平均氧含量为深度区域中含有的Ti、C、N、O的总含量的 0.5～3原子％，(c)上部层具有2～15μm的平均层厚且由在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构的Al₂O₃层构成，求出构成该Al₂O₃层的各个晶粒的纵横尺寸比时，该纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计占整个上部层的60～90％，且所述纵横尺寸比小于 3的晶粒的平均粒径包含于0.1～1.0μm的范围，(d)对于整个上部层的Al₂O₃晶粒，通过使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置，对每个存在于该上部层的剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的结晶面即(0001)面的法线相对于工具基体表面的法线所成的倾斜角时，将所述测定倾斜角中在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行分区，并且以合计存在于各分区内的度数而成的倾斜角度数分布图表示时，该倾斜角在0～10度范围内的Al₂O₃晶粒在该倾斜角分区中存在的度数的总计为倾斜角度数分布图中的所有度数的60％以上，(e)所述(c)中记载的整个上部层的Al₂O₃晶粒中，纵横尺寸比小于3的各个晶粒的晶粒内平均方位差小于5度，通过具有这种本发明特有的结构，发挥提高耐剥离性及耐磨性的本发明所特有的效果。因此，即使在高速且高负载、冲击性负载作用于切削刃的高速重切削条件、高速断续切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工，也显示出优异的高温强度及高温硬度，不会发生硬质包覆层的剥离、崩刀，在长期使用中发挥优异的切削性能。

附图说明

图1是本发明的实施方式的表面包覆工具中的与工具基体表面垂直的方向的剖面的示意图。

图2是表示本发明的实施方式的表面包覆工具中的工具基体表面的法线与上部层的Al₂O₃晶粒的结晶面即(0001)面的法线所成的倾斜角的图，(a)表示倾斜角为0度，(b)表示倾斜角为45度。

图3是本发明的实施方式的表面包覆工具中的工具基体表面的法线与上部层的Al₂O₃晶粒的结晶面即(0001)面的法线所成的倾斜角的倾斜角度数分布图。

具体实施方式

接着，根据实施例对本发明的包覆工具的实施方式进行具体的说明。尤其对于构成本发明的包覆工具的硬质包覆层的各层进行详细说明。

[实施例]

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、TiN粉末及Co粉末，将这些原料粉末以表1所示的配合组成进行配合，进一步加入石蜡，在丙酮中球磨混合24小时，进行减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为预定形状的压坯，在5Pa的真空中，以在1370～1470℃的范围内的预定温度保持1小时的条件对该压坯进行真空烧结，烧结之后，分别制造出具有ISO标准CNMG120408的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A～E。

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、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Mo₂C粉末、WC 粉末、Co粉末及Ni粉末，将这些原料粉末以表2所示的配合组成进行配合，以球磨湿式混合24小时，干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，在1.3kPa的氮气氛中，以在1500℃的温度下保持1小时的条件对该压坯进行烧结，烧结之后，制作具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a～e。

接着，将这些工具基体A～E及工具基体a～e分别装入通常的化学蒸镀装置，以以下顺序分别制造出本发明包覆工具1～13。

(a)首先，以表3所示的条件蒸镀形成作为表7所示的目标层厚的下部层的 Ti化合物层。

(b)接着，以表4所示的条件，以表7所示的目标层厚形成作为下部层的最表面层的含氧TiCN层(即，仅在从该层的表面到500nm为止的深度区域，含有 0.5至3原子％的(O/(Ti+C+N+O)×100)的氧)。

(c)接着，以表5所示的条件，对下部层的最表面的TiCN层进行基于CO 及CO₂的混合气体的氧化处理(下部层表面处理)。

(d)接着，以表6所示的初期生长条件进行Al₂O₃的初期生长，进行基于同样示于表6的上层形成条件的蒸镀，直至成为表7所示的目标层厚，由此分别制造出本发明包覆工具1～13。

并且，以比较为目的，不进行所述本发明包覆工具1～13的所述工序(b)和 /或以表6所示的上层形成条件进行工序(d)的条件，由此分别制造表8所示的比较包覆工具1～13。

接着，关于本发明包覆工具1～13与比较包覆工具1～13，对于构成下部层的最表面层的TiCN层，以如下方法算出沿该TiCN层的层厚方向500nm为止的深度区域中的平均含氧量(＝O/(Ti+C+N+O)×100)以及超过500nm的深度区域中的平均含氧量(＝O/(Ti+C+N+O)×100)，即，使用俄歇电子光谱分析器，在包覆工具的剖面研磨面中从下部层Ti碳氮化物层的最表面到相当于Ti碳化物层膜厚的距离的范围内照射直径为10nm的电子射线，测定Ti、C、N、O的俄歇峰的强度，由此从它们的峰强度的总和计算出O的俄歇峰强度的比例。

并且，为了求出不可避免地包含于TiCN层的含氧量，另外在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面，以以下条件进行化学蒸镀，以3μm以上的层厚形成非有意地含有氧的TiCN(以下，称为不可避免含氧TiCN) 层，所述条件为：反应气体组成(容量％)：TiCl₄2～10％、CH₃CN 0.5～1.0％、N₂25～60％、剩余部分为H₂；反应气氛温度：800～900℃；反应气氛压力：6～10kPa。利用俄歇电子光谱分析器，从相对于所述深度区域中含有的Ti、C、N、O的总含量的比例求出不可避免地包含于从该不可避免含氧TiCN层的表面到沿层厚方向比100nm深的区域中的含氧量，将在俄歇电子光谱分析器的精度范围内求出的不可避免含氧量设定为0.5原子％。

求出从前述平均含氧量减去不可避免含氧量的值作为构成下部层的最表面层的TiCN层的平均含氧量。

表7、8中示出这些值。

接着，针对硬质包覆层的上部层的Al₂O₃，通过以下顺序，使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置测定Al₂O₃晶粒的(0001)面的法线所成的倾斜角的度数分布。

首先，在场发射式扫描电子显微镜的镜筒内设置本发明包覆工具1～13、比较包覆工具1～13的从下部层与上部层的界面向上部层的深度方向的0.3μm，并且沿与工具基体表面平行的方向的50μm的剖面研磨面的测定范围(0.3μm×50μ m)。接着，对所述剖面研磨面，以70度的入射角度，以1nA的照射电流对每个存在于各个所述剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射15kV的加速电压的电子射线，使用电子背散射衍射装置，针对0.3×50μm的测定区域，以 0.1μm/step的间隔测定所述晶粒的结晶面即(0001)面的法线相对于所述工具基体表面的法线所成的倾斜角。并且，以0.25度的间距分区所测定的倾斜角(以下，称为“测定倾斜角”)中在0～45度范围内的测定倾斜角，并且以合计存在于各分区内的度数而成的倾斜角度数分布图表示。图3中示出本发明包覆工具10的倾斜角度数分布图。并且，求出该倾斜角在0～10度范围内的Al₂O₃晶粒在该倾斜角分区中存在的度数总计在倾斜角度数分布图中的所有度数中所占的面积比例。

并且，关于纵横尺寸比的计算方法，在使用上述中记载的场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置的测定中，从各个晶格的欧拉角之差测定各个晶格之间的方位差(旋转角)，当相邻的测定点的晶格之间的方位差(旋转角)为5 度以上时，相互相邻的测定点的边界为晶界，将被晶界包围而未被其他晶界分断的范围确定为同一晶粒，而且，针对所确定的各个晶粒，将与工具基体表面方向垂直的方向设为长轴，将与工具基体表面方向平行的方向设为短轴，求出长轴及短轴的长度，从它们的比求出纵横尺寸比。使用电子背散射衍射装置以2,000倍的观察倍率测定横向：50μm×纵向：相当于上部层的膜厚的区域，由此计算该纵横尺寸比小于3的晶粒的面积比例。

并且，在构成Al₂O₃层的晶粒，与工具基体表面方向平行地拉出直线，并从被粒界分区的10处线段的长度的测定值的平均求出纵横尺寸比小于3的构成Al₂O₃层的各个晶粒的平均粒径。

在表7、表8中示出这些值。

而且，使用电子背散射衍射装置，从纵剖面方向分析构成上部层的纵横尺寸比小于3的各个晶粒的晶体方位，按1度划分晶粒内平均方位差为0度以上且小于1度、1度以上且小于2度、2度以上且小于3度、3度以上且小于4度、……的0～10度的范围，并进行映射。从该映射图确认到各个晶粒的晶粒内平均方位差小于5度。

并且，使用扫描型电子显微镜测定(纵剖面测定)本发明包覆工具1～13、比较包覆工具1～13的硬质包覆层的各构成层的厚度，其结果均示出实际上与目标层厚相同的平均层厚(测定5个点的平均值)。

[表1]

[表2]

接着，针对本发明包覆工具1～13、比较包覆工具1～13的各种包覆工具，均用固定夹具紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，以如下条件(称为切削条件A) 进行铬钼合金钢的干式高速断续切削试验(通常的切削速度分别为300m/min)，

工件：JIS·SCM440的长度方向上等间隔形成有四条纵槽、

切削速度：400m/min、

切深量：2mm、

进给速度：0.4mm/rev、

切削时间：5分钟，

并以如下条件(称为切削条件B)进行镍铬钼合金钢的干式高进给速度切削试验(通常的切削速度及进给量分别为250m/min及0.3mm/rev.)：

工件：JIS·SNCM439的圆棒、

切削速度：120m/min、

切深量：1.5mm、

进给速度：1.0mm/rev、

切削时间：3分钟，

并以如下条件(称为切削条件C)进行铸铁的干式高速高切深切量削试验(通常的切削速度及切深量分别为350m/min及1.5mm)：

工件：JIS·FC300的长度方向上等间隔形成有四条纵槽、

切削速度：400m/min、

切深量：2.5mm、

进给速度：0.4mm/rev.、

切削时间：5分钟，

在任意切削试验中均测定切削刃的后刀面磨损宽度。

表9中示出该测定结果。

[表9]

(表中，※符号表示在硬质包覆层中发生的剥离、※※符号表示在硬质包覆层发生的崩刀而达到使用寿命为止的切削时间。)

从表9所示的结果，本发明包覆工具1～13均通过实现上部层的Al₂O₃的微粒化，抑制裂纹向膜厚方向的扩散，示出优异的耐剥离性及耐崩刀性。

与此相对，比较包覆工具1～13中，在高速重切削加工、高速断续切削加工中，由于发生硬质包覆层的剥离、发生崩刀而在比较短的时间内达到使用寿命，这是显而易见的。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的包覆工具不仅在各种钢或铸铁的通常条件下的连续切削或断续切削，而且即使在高负载、断续性、冲击性负载作用于切削刃的高速重切削、高速断续切削之类的严峻的切削条件下，也不会发生硬质包覆层的剥离、崩刀，在长期使用中发挥优异的切削性能，因此能够充分满足地应对切削装置的高性能化及切削加工的省力化和节能化以及低成本化。

Claims (1)

1.一种表面包覆切削工具，其具备：工具基体，由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成；及硬质包覆层，蒸镀形成于该工具基体的表面，所述表面包覆切削工具的特征在于，

所述硬质包覆层具有形成于工具基体表面的下部层及形成于该下部层上的上部层，

(a)所述下部层具有3～20μm的总平均层厚，由TiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNO中的两层以上构成，其中至少一层由以TiCN层构成的Ti化合物层构成，

(b)所述下部层的最表面层由具有至少500nm以上的层厚的TiCN层构成，仅在从该TiCN层与所述上部层的界面到沿所述TiCN层的层厚方向最大500nm为止的深度区域含有氧，所述深度区域中含有的平均氧含量为所述深度区域中含有的Ti、C、N、O的总含量的0.5～3原子％，

(c)所述上部层具有2～15μm的平均层厚且由在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构的Al₂O₃层构成，求出构成该Al₂O₃层的各个晶粒的纵横尺寸比时，该纵横尺寸比小于3的晶粒以面积比计占整个上部层的60～90％，且所述纵横尺寸比小于3的晶粒的平均粒径包含于0.1～1.0μm的范围，

(d)对于整个所述上部层的Al₂O₃晶粒，通过使用场发射式扫描电子显微镜和电子背散射衍射装置，对每个存在于该上部层的剖面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的晶粒照射电子射线，测定所述晶粒的结晶面即(0001)面的法线相对于工具基体表面的法线所成的倾斜角时，将所述测定的倾斜角中在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行分区，并且以合计存在于各分区内的度数而成的倾斜角度数分布图表示时，该倾斜角在0～10度范围内的Al₂O₃晶粒在该倾斜角分区中存在的度数的总计为倾斜角度数分布图中的所有度数的60％以上，

(e)所述(c)中记载的整个上部层的Al₂O₃晶粒中，纵横尺寸比小于3的各个晶粒的晶粒内平均方位差小于5度。