CN105008074B - 表面包覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的表面包覆切削工具，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有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中，(a)硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例以原子比计为0.2～0.45，B所占的含有比例以原子比计为0.01～0.1；(b)在从上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.1～0.4μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上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
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)，其具有在淬火钢等高硬度钢的切削加工中发挥优异的耐磨性的硬质包覆层。
本申请基于2013年3月22日于日本申请的专利申请2013-061011号、2013年3月22日于日本申请的专利申请2013-061010号、2013年7月25日于日本申请的专利申请2013-154110号、及2013年7月25日于日本申请的专利申请2013-154111号主张优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
通常，包覆工具中有：刀片，装卸自如地安装于在各种钢或铸铁等工件的车削加工或平面铣削加工中使用的车刀的前端部；钻头，使用于所述工件的钻孔切削加工等；及整体式立铣刀，使用于所述工件的面削加工或槽加工、台肩加工，等。并且，作为包覆工具已知有刀尖更换式立铣刀工具等，该刀尖更换式立铣刀工具装卸自如地安装所述刀片，并与所述整体式立铣刀同样地进行切削加工。
例如，如专利文献1所示，作为包覆工具已知有如下包覆工具，其在由碳化钨(以下，以WC来表示)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、Cr及B的复合氮化物[以下，以(Al，Cr，B)N来表示]层构成的硬质包覆层。已知在这种以往的包覆工具中，构成硬质包覆层的所述(Al，Cr，B)N层的粘附性、耐高温氧化特性、耐磨性优异，因此发挥优异的切削性能。
并且，已知有上述以往的包覆工具是通过离子镀法或溅射法而成膜的。例如，作为基于电弧离子镀的成膜，已知有使用如图1A、1B所示的电弧离子镀装置100的方法。电弧离子镀装置100具备：用于放置工具基体(硬质基体)1的转台101；用于加热工具基体1的加热器102；用于导入反应气体的反应气体导入口103；用于向系统外排出气体的排气口104；两个阳极电极111、112；及两个阴极电极113、114。阳极电极111和阴极电极113连接于装置100外部的电弧电源115，阳极电极112和阴极电极114连接于装置100外部的电弧电源116，转台101连接于装置100外部的偏置电源117。这种电弧离子镀装置100内的转台101上安装有工具基体(硬质基体)1，用加热器102将工具基体1加热到500℃的温度，从反应气体导入口103向装置100内导入氮气作为反应气体而设为2Pa的反应气氛，另一方面，由偏置电源117对上述工具基体1施加-100V的偏置电压。也已知有在这种条件下，在阳极电极111和设置有规定组成的Al-Cr-B合金(Al-Cr-B合金靶)的阴极电极113之间，由电弧电源115供给90A的电流，以使电弧放电产生，并通过在所述工具基体1的表面蒸镀形成上述(Al，Cr，B)N而能够制造包覆工具。
并且，如专利文献2所示，作为包覆工具，已知有如下包覆工具，其由碳化钨(以下，以WC来表示)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、Cr及Si的复合氮化物层构成的硬质包覆层。已知在这种以往的包覆工具中，构成硬质包覆层的所述Al、Cr及Si的复合氮化物层的粘附性、耐高温氧化特性、耐磨性优异，因此发挥优异的切削性能。
并且，已知有上述以往的包覆工具是通过离子镀法或溅射法而成膜的。例如，作为基于电弧离子镀的成膜，如图4A、4B所示，已知有使用电弧离子镀装置200的方法。电弧离子镀装置200具备：用于放置工具基体(硬质基体)2的转台201；用于加热工具基体2的加热器202；用于导入反应气体的反应气体导入口203；用于向系统外排出气体的排气口204；两个阳极电极211、212；及两个阴极电极213、214。阳极电极211和阴极电极213连接于装置200外部的电弧电源215，阳极电极212和阴极电极214连接于装置200外部的电弧电源216，转台201连接于装置200外部的偏置电源217。这种电弧离子镀装置200内的转台201上安装有工具基体(硬质基体)2，用加热器202将工具基体2加热到500℃的温度，从反应气体导入口203向装置200内导入氮气作为反应气体而设为2Pa的反应气氛，另一方面，由偏置电源217对上述工具基体2施加-100V的偏置电压。也已知有在这种条件下，在阳极电极211和设置有规定组成的Al-Cr-Si合金(Al-Cr-Si合金靶)的阴极电极213之间，由电弧电源215供给90A的电流，以使电弧放电产生，并通过在所述工具基体2的表面蒸镀形成上述Al、Cr及Si的复合氮化物而能够制造包覆工具。
然而，在包覆工具中，为了实现进一步改善其切削性能，尤其耐崩刀性、耐磨性等，提出各种硬质包覆层的组织结构。
例如，在专利文献3中，作为通过抑制前刀面上的包覆层的缺损而提高耐缺损性，并提高后刀面上的耐磨性的包覆工具，记载有如下包覆工具(立铣刀)。即，记载有一种包覆工具(立铣刀)，其以柱状晶体构成包覆层，且前刀面上的包覆层厚度比后刀面上的包覆层厚度薄，由包覆层基体侧的下层区域和平均晶体宽度比该下层区域的平均晶体宽度大的包覆层表面侧的上层区域这两层区域来构成包覆层，前刀面上的上层区域的厚度相对于包覆层厚度的比率比后刀面上的上层区域的厚度相对于包覆层厚度的比率小，前刀面上的柱状晶体的平均晶体宽度比后刀面上的柱状晶体的平均晶体宽度小。
并且，例如，在专利文献4中记载有如下包覆工具，其具备使耐磨性和韧性并存，且与基材的粘附性也优异的被膜。即，记载有一种包覆工具，其中，形成于基材上的被膜包括第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，在该微细组织区域中，构成该区域的化合物的平均晶粒直径为10～200nm，且自该第1被膜层的表面侧，相对于该第1被膜层的整体厚度占50％以上的厚度的范围而存在，且具有-4GPa以上且-2GPa以下的范围的平均压缩应力，该第1被膜层在其厚度方向上具有应力分布，在其应力分布中具有两个以上的极大值或极小值，这些极大值或极小值越位于厚度方向表面侧，则具有越高的压缩应力。
专利文献1：日本专利第3669700号公报
专利文献2：日本专利第3598074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，对切削加工的节省人力及节能化、而且对低成本化的要求强烈，随之，逐渐在进一步严格的切削条件下进行切削加工。
在上述以往的包覆工具中，可实现某种程度的耐崩刀性、耐缺损性、耐磨性的改善。然而，当将这些包覆工具使用于淬火钢等高硬度钢的进一步严格的切削加工中时，容易产生崩刀等异常损伤，并且磨损严重。其结果，目前在较短时间内便达到使用寿命。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种表面包覆切削工具，该表面包覆工具即使在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，也不会产生异常损伤且耐磨性也优异，在长期使用中发挥优异的切削性能。
本发明人等为了达到上述目的，对硬质包覆层的晶体组织结构进行深入的研究，其结果获得以下见解。
以往，在制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法，通常采用的是CVD法、PVD法等。例如，当利用作为一种PVD法的电弧离子镀法(以下，称为AIP法)来成膜由(Al，Cr，B)N构成的硬质包覆层时，将工具基体安装到装置内，并施加规定的偏置电压，并且在将装置内部加热到规定温度的状态下，使电弧放电在阳极电极和规定组成的Al-Cr-B合金靶之间产生，同时将氮气作为反应气体导入到装置内，并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀，从而成膜硬质包覆层(参考图1A、1B)。
本发明人等在成膜基于上述以往的AIP法的由(Al，Cr，B)N构成的硬质包覆层时，在工具基体和靶之间施加磁场，并调查和研究磁场对硬质包覆层的组织结构带来的影响，结果发现，通过在规定强度的磁场中进行基于AIP法的硬质包覆层的成膜，能够调整构成硬质包覆层的粒状晶粒的晶粒直径。并且，本发明人等发现，具备如此适当地调整硬质包覆层的晶粒直径的由(Al，Cr，B)N构成的硬质包覆层的包覆工具，在淬火钢等高硬度钢的切削加工中发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
本发明的第一方式是基于上述见解而完成的，其为具有以下特征的表面包覆切削工具。
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有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中，
(a)硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，B所占的含有比例为0.01～0.1(其中为原子比)；
(b)在从上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.1～0.4μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上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，而且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。
并且，以往，在制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法，通常采用CVD法、PVD法等。在通过作为一种PVD法的电弧离子镀法(以下，称为AIP法)成膜Al、Cr及Si的复合氮化物[以下，以(Al，Cr，Si)N来表示]构成的硬质包覆层时，将工具基体安装于装置内，并施加规定的偏置电压，并且，在将装置内部加热到规定温度的状态下，使电弧放电在阳极电极和规定组成的Al-Cr-Si合金靶之间产生，同时将氮气作为反应气体导入到装置内，并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀，从而成膜硬质包覆层(参考图4A、4B)。
本发明人等在基于上述以往的AIP法而成膜由(Al，Cr，Si)N构成的硬质包覆层时，对工具基体与靶之间施加磁场，并调查和研究了磁场对硬质包覆层的组织结构带来的影响，其结果发现，通过在规定强度的磁场中进行基于AIP法的硬质包覆层的成膜，能够调整构成硬质包覆层的粒状晶粒的晶粒直径。并且，本发明人等发现，具备如此适当地调整硬质包覆层的晶粒直径的由(Al，Cr，Si)N构成的硬质包覆层的包覆工具，在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
本发明的第二方式是基于上述见解而完成的，其为具有以下特征的表面包覆切削工具。
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有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中，
(a)硬质包覆层由Al、Cr及Si的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及Si的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，Si所占的含有比例为0.01～0.15(其中为原子比)；
(b)在从上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.1～0.4μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上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，而且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。
本发明的第一方式及第二方式中，优选在从上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，晶粒的平均纵横尺寸比为1以上且6以下。
本发明的第三方式是具有以下特征的表面包覆切削工具的制造方法。
一种表面包覆切削工具的制造方法，所述表面包覆切削工具在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包覆层，其中，
所述硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，B所占的含有比例为0.01～0.1(其中为原子比)，
将所述工具基体的温度维持在370～450℃，并使所述工具基体自转及公转，在Al-Cr-B合金靶与所述工具基体之间施加累计磁力为40～150mT×mm的磁场的同时，在所述工具基体表面蒸镀所述硬质包覆层。
本发明的第四方式是具有以下特征的表面包覆切削工具的制造方法。
一种表面包覆切削工具的制造方法，所述表面包覆切削工具在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包覆层，其中，
所述硬质包覆层由Al、Cr及Si的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及Si的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，Si所占的含有比例为0.01～0.15(其中为原子比)，
将所述工具基体的温度维持在370～450℃，并使所述工具基体自转及公转，在Al-Cr-Si合金靶与所述工具基体之间施加累计磁力为40～150mT×mm的磁场的同时，在所述工具基体表面蒸镀所述硬质包覆层。
本发明的第三方式及第四方式中，优选在所述工具基体的表面蒸镀所述硬质包覆层的同时，对所述工具基体施加偏置电压。
并且，本发明的第三方式及第四方式中，优选在所述工具基体的表面蒸镀所述硬质包覆层之前，对所述工具基体施加偏置电压的同时，使电弧放电在Ti电极与阳极电极之间产生，由此对所述工具基体的表面进行轰击清洗。
本发明的第一方式的包覆工具中，由规定组成的(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层，在从刀尖起距离100μm的位置为止的范围内由粒状晶体组织构成，而且，表面粒径为0.1～0.4μm，并且，界面粒径比表面粒径小0.02～0.1μm，并且，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例成为20％以下。通过这种结构，第一方式的包覆工具在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
本发明的第二方式的包覆工具中，由规定组成的(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层，在从刀尖起距离100μm的位置为止的范围内由粒状晶体组织构成，而且，表面粒径为0.1～0.4μm，并且，界面粒径比表面粒径小0.02～0.1μm，并且，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例成为20％以下。通过这种结构，第二方式的包覆工具在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
附图说明
图1A表示以往的AIP装置的概略说明图的俯视图。
图1B表示以往的AIP装置的概略说明图的侧视图。
图2A表示用于制作第一实施方式所涉及的包覆工具的、AIP装置的概略说明图的俯视图。
图2B表示用于制作第一实施方式所涉及的包覆工具的、AIP装置的概略说明图的侧视图。
图3表示第一实施方式所涉及的包覆工具的纵剖面概略说明图。
图4A表示以往的AIP装置的概略说明图的俯视图。
图4B表示以往的AIP装置的概略说明图的侧视图。
图5A表示用于制作第二实施方式所涉及的包覆工具的、AIP装置的概略说明图的俯视图。
图5B表示用于制作第二实施方式所涉及的包覆工具的、AIP装置的概略说明图的侧视图。
图6表示第二实施方式所涉及的包覆工具的纵剖面概略说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)
接着，对本发明的第一实施方式所涉及的包覆工具进行详细的说明。
硬质包覆层的类别、平均层厚：
本实施方式所涉及的硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层((Al，Cr，B)N层)构成。
Al成分具有提高高温硬度和耐热性的作用，Cr成分具有提高高温强度的作用，Cr和Al具有通过含有并共存这些而提高高温抗氧化性的作用。另外，B成分具有在提高硬质包覆层的耐磨性的同时，降低与工件的反应性的作用。由这些作用，已知上述(Al，Cr，B)N层作为高温硬度、耐热性、高温强度优异的硬质包覆层。
在本实施方式中，在Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，B所占的含有比例为0.01～0.1(其中为原子比)。若Cr的含有比例小于0.2，则因六方晶晶体结构的比例增加而硬度降低。另一方面，若Cr的含有比例(原子比)超过0.45，则相对地Al的含有比例变小，导致耐热性降低，其结果，产生偏磨以及热塑性变形等，从而耐磨性变差。因此，需要将Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例(原子比)设为0.2～0.45。
并且，若在Al、Cr及B的总量中所占的B的含有比例小于0.01的情况下，无法期待耐磨性的提高。另一方面，如在B的含有比例超过0.1的情况下，在C层中形成低韧性的析出物，且基体显示出脆化倾向。因此，需要将B的含有比例(原子比)设为0.01～0.1。
另外，若由(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层的平均层厚小于2μm，则长期无法发挥优异的耐磨性，成为缩短工具寿命的原因。另一方面，若其平均层厚超过10μm，则膜容易自行破坏。因此，需要将其平均层厚设为2～10μm。
由(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层的层结构：
在本实施方式中，将由上述(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层成膜为粒状晶体。另外，将硬质包覆层表面上的晶粒的平均晶粒直径(以下，简称为“表面粒径”)设为0.1～0.4μm。另一方面，工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层成膜为晶粒的平均晶粒直径(以下，简称为“界面粒径”)比表面粒径小0.02～0.1μm，形成具有表面粒径和界面粒径彼此不同的晶体组织结构的硬质包覆层。
在此，“工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层的晶粒”是指从硬质包覆层内的工具基体与硬质包覆层的界面在厚度为0.5μm的硬质包覆层内部的区域形成的晶粒，并且，“硬质包覆层表面上的晶粒”是指从硬质包覆层的表面到深度为0.5μm的区域形成的晶粒。
并且，在此“粒状晶体”是指纵横尺寸比为1以上且6以下的晶粒。纵横尺寸比是将长边作为分子，将短边作为分母而算出在与工具基体的表面(后刀面)垂直的晶粒剖面中最长的直径(长边)和在与其垂直的直径中最长的直径(短边)的长度之比。
关于平均晶粒直径，若具体说明则如下。
若硬质包覆层表面上的晶粒的平均晶粒直径(表面粒径)小于0.1μm，则层中所含有的晶界变多，在切削加工时，相对地在比晶内更脆的晶界部分容易产生破坏。其结果，耐磨性变差。另一方面，若表面粒径超过0.4μm，则层中所含有的晶界较少，因此在切削加工时负载容易施加于局部晶界。因此，在产生龟裂时容易进一步扩展，且耐崩刀性变差。因此，在切削加工时，在长期使用中能够发挥充分的耐磨性或耐崩刀性。如同上述，将表面粒径设为0.1～0.4μm。
关于工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层的晶粒的平均晶粒直径(界面粒径)，需要将其设为比表面粒径仅小0.02～0.1μm的值。其技术理由在于，因比表面粒径超过0.1μm而界面粒径较小的情况下，因硬质包覆层表面和界面区域的平均粒径之差，且因表面和界面区域的耐磨性之差，在切削加工时容易产生磨损或崩刀，且切削性能变差。
另一方面，当界面粒径和表面粒径之差小于0.02μm的情况下，因表面和界面上的平均粒径彼此相同的原因而耐磨性变得相同，在进行切削时无法起到提高上述耐磨性的作用。
另外，在本实施方式中，通过将界面粒径设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值，在切削加工时，能够使提高硬质包覆层表面的耐磨性的效果和提高界面区域上的耐崩刀性的效果发挥协同作用。其结果，在长期使用中时能够发挥充分的耐磨性或者耐崩刀性。
如下记述粒径的测定方法。
从工具基体刀尖切出后刀面侧的剖面，并通过SEM观察其剖面。如图3所示，该剖面为与工具基体1的后刀面12垂直的面。使用从后刀面12上的硬质包覆层14的表面在深度为0.5μm的区域形成的各晶粒，与后刀面12平行地引出直线，将直线和晶体晶界的交点之间的距离定义为粒径。另外，与后刀面12平行地引出直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶粒直径的位置。在从后刀面12上的刀尖121起距离100μm的位置为止的范围内测定晶粒直径，将该晶粒直径的平均值设为表面粒径。更具体而言，在后刀面12上的刀尖121正上方的位置P11、及在后刀面12上从刀尖121起距离50μm的位置P12、及从刀尖121起距离100μm的位置P13这三个部位，测定在宽度为10μm的范围内存在的晶粒的晶粒直径，进而，将该三个部位的全晶粒直径的平均值设为表面粒径。并且，在从硬质包覆层14内的工具基体1(后刀面12)与硬质包覆层14的界面在厚度为0.5μm的区域形成的各晶粒中，用同样的方法算出界面粒径。
并且，在从后刀面12上的刀尖121起距离100μm的位置为止的范围(具体测定后刀面上的刀尖正上方的位置P11、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置P12、及从刀尖起距离100μm的位置P13这三个部位)内，即使关于表面粒径及界面粒径的任一者，也需要粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。在形成粒径为0.1μm以下的微细晶粒超过20％的情况下，层中所含有的晶界变多，因此在切削加工时，相对地比晶内更脆的晶界部分容易产生破坏，且耐磨性变差。
在此，“粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例”表示的是，测定多个晶粒的粒径，且相对于所测定的所有的晶粒直径之和的、具有0.1μm以下的粒径的晶粒的晶粒直径之和的比例。
如图3所示，利用存在于点线部(P11～P16)中的晶粒，在测定各晶粒直径之后，算出表面粒径、界面粒径、粒径为0.1μm以下的晶粒直径长度比例。另外，将点线部的宽度分别设为10μm。并且，如图3所示，“刀尖”在本发明中定义为“除去工具基体1的切削刃前端的刀尖部15的呈圆锥形状(曲线状)的部分的、直线状切削刃的最接近前端的部分”。即，后刀面12的刀尖121在SEM观察面上为后刀面12的直线状部分和曲线部分的拐点，自后刀面12的直线部的延长线L12和刀尖部的切点。另外，图3中的符号13为前刀面，131为前刀面刀尖，L13为自前刀面的直线部的延长线。
硬质包覆层的蒸镀形成：
本实施方式的硬质包覆层14利用如图2A、2B所示的电弧离子镀装置(AIP装置)150蒸镀于工具基体1。另外，在图2A、2B中，对于与图1A、1B共同的部分或者具有相同功能的部分标注相同的符号。将工具基体1的温度维持在370～450℃，并且使工具基体1在AIP装置150内自转及公转，在靶表面中心与最接近靶的工具基体1之间施加规定的磁场(累计磁力为40～150mT×mm)的同时进行蒸镀，从而能够形成硬质包覆层14。
例如，在AIP装置150内部的一方设置由基体洗净用Ti电极构成的阴极电极114，而在另一方设置由Al-Cr-B合金构成的靶(阴极电极)113。即，在隔着转台101对置的位置配置阴极电极113、114。
首先，对由碳化钨(WC)基硬质合金构成的工具基体1进行洗净和干燥，并安装于AIP装置150内的转台101上，通过电弧电源116在真空中使100A的电弧放电在基体洗净用Ti电极114与阳极电极112之间产生，并通过偏置电源117对工具基体1施加-1000V的偏置电压，且对工具基体1表面进行轰击清洗。
接着，施加从Al-Cr-B合金靶113的表面中心至最接近靶的工具基体1为止的累计磁力成为40～150mT×mm的磁场。
接着，从反应气体导入口103将氮气作为反应气体导入到装置150内，将装置150内设为6Pa的气氛压力，将工具基体1的温度维持在370～450℃，并通过偏置电源117对工具基体1施加-50V的偏置电压，并且通过电弧电源115使100A的电弧放电在Al-Cr-B合金靶(阴极电极)113与阳极电极111之间产生。在工具基体1最接近靶113时，以后刀面12的一部分或全部与靶113的表面成为水平的方式，将工具基体1支承在转台101上使其自转及公转并进行蒸镀。通过如同以上的方法，能够蒸镀形成具有本实施方式的层结构的由(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层。
另外，上述Al-Cr-B合金靶113与工具基体1之间的磁场的施加，例如，可通过在阴极电极113周边，具体而言，在图2A、2B的符号118所示的位置设置磁场产生源即电磁线圈或永久磁铁，或者在AIP装置150的内部、中心部配置永久磁铁等任意方法而形成磁场。
在此，本实施方式中的累计磁力通过以下计算方法而算出。
利用磁通密度计，在从Al-Cr-B合金靶113中心至工具基体1的位置为止的直线上以10mm的间隔测定磁通密度。磁通密度用单位mT(豪特)来表示，从靶113表面中心至工具基体1的位置为止的距离用单位mm(毫米)来表示。另外，将从靶113表面中心至工具基体1的位置为止的距离设为横轴，在利用纵轴的曲线来表现磁通密度的情况下，将相当于面积的值定义为累计磁力(mT×mm)。
在此，工具基体1的位置设为最接近Al-Cr-B合金靶的位置。另外，磁通密度的测定，若是形成有磁场的状态则也可以在非放电状态中进行，例如，也可以在大气压下并未放电的状态下进行测定。并且，“靶中心”或者“靶表面中心”是指，若靶为圆形，则为圆的中心为靶中心，若靶为长方形，则对角线的交点为靶中心。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式所涉及的包覆工具进行详细的说明。
硬质包覆层的类别、平均层厚：
本实施方式所涉及的硬质包覆层由Al、Cr及Si的复合氮化物层((Al，Cr，Si)N层)构成。
Al成分具有提高高温硬度和耐热性的作用，Cr成分具有提高高温强度的作用，Cr和Al通过含有并共存它们从而具有提高高温抗氧化性的作用。另外，Si成分具有提高硬质包覆层的耐塑性变形性的作用。由这些作用，已知上述(Al，Cr，Si)N层作为高温硬度、耐热性、高温强度优异的硬质包覆层。
在本实施方式中，在Al、Cr及Si的总量中Cr所占的含有比例为0.2～0.45(其中为原子比)，Si所占的含有比例为0.01～0.15(其中为原子比)。若Cr的含有比例小于0.2，则因六方晶晶体结构的比例增加而硬度降低。另一方面，若Cr的含有比例(原子比)超过0.45，则相对地Al的含有比例变小，导致耐热性的降低，其结果，产生偏磨以及热塑性变形等，从而耐磨性变差。因此，在Al、Cr及Si的总量中Cr所占的含有比例(原子比)需要为0.2～0.45。
并且，在Al、Cr及Si的总量中所占的Si的含有比例小于0.01的情况下，无法期待耐塑性变形性的提高。另一方面，如在Si的含有比例超过0.15的情况下，虽然层的硬度提高却显示出脆化倾向。因此，需要将Si的含有比例(原子比)设为0.01～0.15。
另外，若由(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层的平均层厚小于2μm，则长期无法发挥优异的耐磨性，成为缩短工具寿命的原因。另一方面，若其平均层厚超过10μm，则膜容易自行破坏。因此，需要将其平均层厚设为2～10μm。
由(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层的层结构：
在本实施方式中，将由上述(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层成膜为粒状晶体。另外，将硬质包覆层表面上的晶粒的平均晶粒直径(以下，简称为“表面粒径”)设为0.1～0.4μm。另一方面，将工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层成膜为晶粒的平均晶粒直径(以下，简称为“界面粒径”)比表面粒径小0.02～0.1μm，形成具有表面粒径和界面粒径彼此不同的晶体组织结构的硬质包覆层。
在此，“工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层的晶粒”是指从硬质包覆层内的工具基体与硬质包覆层的界面在厚度为0.5μm的硬质包覆层内部区域形成的晶粒，并且，“硬质包覆层表面上的晶粒”是指从硬质包覆层的表面在深度为0.5μm的区域形成的晶粒。
并且，在此“粒状晶体”是指纵横尺寸比为1以上且6以下的晶粒。纵横尺寸比是将长边作为分子，将短边作为分母而算出在与工具基体的表面(后刀面)垂直的晶粒剖面中最长的直径(长边)和在与其垂直的直径中最长的直径(短边)的长度之比。
关于平均晶粒直径，若具体说明则如下。
若硬质包覆层表面上的晶粒的平均晶粒直径(表面粒径)小于0.1μm，则层中所含有的晶界变多，在切削加工时，相对地在比晶内更脆的晶界部分容易产生破坏。其结果，耐磨性变差。另一方面，若表面粒径超过0.4μm，则层中所含有的晶界较少，因此在切削加工时负载容易施加于局部晶界。因此，在产生龟裂时容易进一步扩展，且耐崩刀性变差。因此，在切削加工时，在长期使用中能够发挥充分的耐磨性或耐崩刀性。如同上述，将表面粒径设为0.1～0.4μm。
关于工具基体与硬质包覆层的界面上的硬质包覆层的晶粒的平均晶粒直径(界面粒径)，需要将其设为比表面粒径仅小0.02～0.1μm的值。其技术理由在于，因比表面粒径超过0.1μm而界面粒径较小的情况下，因硬质包覆层表面和界面区域的平均粒径之差，且因表面和界面区域的耐磨性之差，在切削加工时容易产生磨损或崩刀，且切削性能变差。
另一方面，当界面粒径和表面粒径之差小于0.02μm的情况下，因表面和界面上的平均粒径彼此相同的原因而耐磨性变得相同，在进行切削时无法起到提高上述耐磨性的作用。
另外，在本实施方式中，通过将界面粒径设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值，在切削加工时，能够使提高硬质包覆层表面的耐磨性的效果和提高界面区域上的耐崩刀性的效果发挥协同作用。其结果，在长期使用中时能够发挥充分的耐磨性或者耐崩刀性。
如下记述粒径的测定方法。
从工具基体刀尖切出后刀面侧的剖面，并通过SEM观察其剖面。如图6所示，该剖面为与工具基体2的后刀面22垂直的面。使用后刀面22上的从硬质包覆层24的表面在深度为0.5μm的区域形成的各晶粒，与后刀面22平行地引出直线，将直线和晶体晶界的交点之间的距离定义为粒径。另外，与后刀面22平行地引出直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶粒直径的位置。在从后刀面22上的刀尖221起距离100μm的位置为止的范围内测定晶粒直径，将该晶粒直径的平均值设为表面粒径。更具体而言，在后刀面22上的刀尖221正上方的位置P21、及在后刀面22上从刀尖221起距离50μm的位置P22、及从刀尖221起距离100μm的位置P23这三个部位，测定存在于宽度为10μm的范围内的晶粒的晶粒直径，进而，将该三个部位的全晶粒直径的平均值设为表面粒径。并且，从硬质包覆层24内的工具基体2(后刀面22)与硬质包覆层24的界面在厚度为0.5μm的区域形成的各晶粒中，用同样的方法算出界面粒径。
并且，在从后刀面22上的刀尖221起距离100μm的位置为止的范围(具体测定后刀面上的刀尖221正上方的位置P21、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置P22、及从刀尖起距离100μm的位置P23这三个部位)内，即使关于表面粒径及界面粒径的任一者，也需要粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。在形成粒径为0.1μm以下的微细晶粒超过20％的情况下，层中所含有的晶界变多，因此在切削加工时，相对地比晶内更脆的晶界部分容易产生破坏，且耐磨性变差。
在此，“粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例”表示的是，测定多个晶粒的粒径，且相对于所测定的所有的晶粒直径之和的、具有0.1μm以下的粒径的晶粒的晶粒直径之和的比例。
如图6所示，利用存在于点线部(P21～P26)中的晶粒，在测定各晶粒直径之后，算出表面粒径、界面粒径、粒径为0.1μm以下的晶粒直径长度比例。另外，将点线部的宽度分别设为10μm。并且，如图6所示，“刀尖”在本发明中定义为“除去工具基体2的切削刃前端的刀尖部25的呈圆锥形状(曲线状)的部分的、直线状切削刃的最接近前端的部分”。即，后刀面22的刀尖221在SEM观察面上为后刀面22的直线状部分和曲线部分的拐点，自后刀面22的直线部的延长线L22和刀尖部的切点。另外，图6中的符号23为前刀面，231为前刀面刀尖，L23为自前刀面的直线部的延长线。
硬质包覆层的蒸镀形成：
本实施方式的硬质包覆层24利用如图5A、5B所示的电弧离子镀装置(AIP装置)250蒸镀于工具基体2。另外，在图5A、5B中，对于与图4A、4B共同的部分或者具有相同功能的部分标注相同的符号。将工具基体2的温度维持在370～450℃，并且使工具基体2在AIP装置250内自转及公转，在靶表面中心与最接近靶的工具基体2之间施加规定的磁场(累计磁力为40～150mT×mm)的同时进行蒸镀，从而能够形成硬质包覆层24。
例如，在AIP装置250内部的一方设置由基体洗净用Ti电极构成的阴极电极214，而在另一方设置由Al-Cr-Si合金构成的靶(阴极电极)213。即，在隔着转台201对置的位置配置阴极电极213、214。
首先，对由碳化钨(WC)基硬质合金构成的工具基体2进行洗净和干燥，并安装于AIP装置250内的转台201上，通过电弧电源216在真空中使100A的电弧放电在基体洗净用Ti电极214与阳极电极212之间产生，并通过偏置电源217对工具基体2施加-1000V的偏置电压，且对工具基体2表面进行轰击清洗。
接着，施加从Al-Cr-Si合金靶213的表面中心至最接近靶的工具基体2为止的累计磁力成为40～150mT×mm的磁场。
接着，从反应气体导入口203将氮气作为反应气体导入到装置250内，将装置250内设为6Pa的气氛压力，将工具基体2的温度维持在370～450℃，并通过偏置电源217对工具基体2施加-50V的偏置电压，并且通过电弧电源215使100A的电弧放电在Al-Cr-Si合金靶(阴极电极)213与阳极电极211之间产生。在工具基体2最接近靶213时，以后刀面22的一部分或全部与靶213的表面成为水平的方式，将工具基体2支承在转台201上使其自转及公转并进行蒸镀。通过如同以上的方法，能够蒸镀形成具有本实施方式的层结构的由(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层。
另外，上述Al-Cr-Si合金靶213与工具基体2之间的磁场的施加，例如，可通过在阴极电极213周边，具体而言，在图5A、5B的符号218所示的位置设置磁场产生源即电磁线圈或永久磁铁，或者在AIP装置250的内部、中心部配置永久磁铁等任意方法而形成磁场。
在此，本实施方式中的累计磁力通过以下计算方法而算出。
利用磁通密度计，在从Al-Cr-Si合金靶213中心至工具基体2的位置为止的直线上以10mm的间隔测定磁通密度。磁通密度用单位mT(豪特)来表示，从靶213表面中心至工具基体2的位置为止的距离用单位mm(毫米)来表示。另外，将从靶213表面中心至工具基体2的位置为止的距离设为横轴，在利用纵轴的曲线来表现磁通密度的情况下，将相当于面积的值定义为累计磁力(mT×mm)。
在此，工具基体2的位置设为最接近Al-Cr-Si合金靶的位置。另外，磁通密度的测定，若是形成有磁场的状态则也可以在非放电状态中进行测定，例如，也可以在大气压下并未放电的状态下进行测定。并且，“靶中心”或者“靶表面中心”是指，若靶为圆形，则为圆的中心为靶中心，若靶为长方形，则对角线的交点为靶中心。
接着，通过实施例具体地说明本发明的包覆工具。
实施例1
作为原料粉末，准备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径：0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径：1.3μm的TaC粉末、平均粒径：1.2μm的NbC粉末、平均粒径：1.2μm的ZrC粉末、平均粒径：2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径：1.5μm的VC粉末、平均粒径：1.0μm的(Ti，W)C[以质量比TiC/WC＝50/50]粉末、及平均粒径：1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别以表1所示的配合组成进行配合，另外，在添加石蜡之后，在丙酮中球磨混合24小时，并进行了减压干燥。其后，以100MPa的压力挤出并冲压成型为规定形状的各种压坯，将这些压坯在6Pa的真空气氛中，以7℃/分钟的升温速度升温为1370～1470℃的范围内的规定的温度，在该温度下保持了1小时。其后，在炉冷条件下进行烧结，形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体。进而，由所述圆棒烧结体，通过磨削加工制造出切削刃部的直径×长度为6mm×6mm尺寸，且具有螺旋角30度的双刃球形的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)A1～A3、以及切削刃部的直径×长度为6mm×12mm尺寸，且具有螺旋角30度的双刃球形的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)A4～A6。
(a)将上述工具基体A1～A6分别在丙酮中进行超声波洗净并干燥的状态下，在从图2A、2B所示的AIP装置150的转台101上的中心轴沿半径方向起距离规定距离的位置沿外周部进行安装，并在AIP装置150的一方配置轰击清洗用Ti阴极电极114，而在另一侧配置由规定组成的Al-Cr-B合金构成的靶(阴极电极)113。
(b)首先，将装置150内部进行排气以保持真空，并且，用加热器102将工具基体1加热到400℃之后，对于在所述转台101上边自转边旋转的工具基体1施加-1000V的直流偏置电压，且使100A的电流流过Ti阴极电极114和阳极电极112之间，以使电弧放电产生，并且对工具基体1表面进行了轰击清洗。
(c)接着，施加各种磁场，以使从上述Al-Cr-B合金靶113的表面中心到工具基体1为止的累计磁力在40～150mT×mm的范围内。
在此，如下记述累计磁力的计算方法。利用磁通密度计在从Al-Cr-B合金靶113中心到工具基体1的位置为止的直线上以10mm间隔测定了磁通密度。磁通密度用单位mT(豪特)来表示，从靶表面到工具基体的位置为止的距离用单位mm(毫米)来表示。另外，将从靶113表面中心到工具基体1的位置为止的距离作为横轴，在用纵轴的曲线来表现磁通密度的情况下，将相当于面积的值定义为累计磁力(mT×mm)。在此，工具基体1的位置设为最接近Al-Cr-B合金靶113的位置。另外，磁通密度的测定则在形成有磁场的状态下在大气压下未提前放电的状态下进行了测定。
(d)接着，将氮气作为反应气体导入到装置内，并将其作为6Pa的反应气氛，并且，将在所述转台101上边自转边旋转的工具基体1的温度维持在370～450℃的范围内，并施加-50V的直流偏置电压，且使100A的电流流过所述Al-Cr-B合金靶113和阳极电极111之间，以使电弧放电产生，从而在所述工具基体1的表面蒸镀形成由表2所示的组成及目标平均层厚的(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层14。
按以上顺序，分别制造出作为本发明包覆工具的表面包覆立铣刀A1～A10(以下，称为本发明A1～A10)。
[比较例]
以比较为目的，变更上述实施例中的(c)的条件(即，从Al-Cr-B合金靶113的表面中心到工具基体1为止的累计磁力小于40mT×mm、或者超过150mT×mm)，并且，变更(d)的条件(即，工具基体1维持小于370℃或者超过450℃的温度)，其余以与实施例相同的条件分别制造出作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀A1～A5(以下，称为比较例A1～A5)。
另外，分别制造出在包覆层中的Al、Cr及B的总量中所占的Cr或B的含有比例在本发明中规定的范围之外的，且包覆层的平均层厚在2～10μm的范围之外的表面包覆立铣刀A6～A10(以下，称为比较例A6～A10)。
关于上述所制作的本发明A1～A10及比较例A1～A10，当观察其纵剖面(垂直于后刀面的面)的硬质包覆层的晶粒形态时，均由纵横尺寸比为1以上且6以下的粒状晶体组织构成。纵横尺寸比将长边作为分子，将短边作为分母而算出在晶粒剖面中最长的直径(长边)和在与其垂直的直径中最长的直径(短边)的长度之比。
另外，用扫描式电子显微镜(SEM)来测定该粒状晶体的晶粒直径，求出在从后刀面上的从刀尖起距离100μm的位置为止的范围内的表面粒径、界面粒径。具体而言，在界面及表面上的后刀面上的刀尖的正上方位置(图3的P11、P14)、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置(P12、P15)、及从刀尖起距离100μm的位置(P13、P16)这三个部位，测定存在于宽度为10μm的范围内的全晶粒的晶粒直径，通过算出在三个部位测定的晶粒直径的平均值，求出表面粒径及界面粒径。
并且，同样地，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，通过在界面及表面上的后刀面上的刀尖的正上方位置(P11、P14)、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置(P12、P15)、及从刀尖起距离100μm的位置(P13、P16)共六个部位进行测定，求出具有0.1μm以下的粒径的晶粒所占的晶粒直径长度比例。
表2、表3中示出上述测定并算出的各值。
另外，如下更具体说明上述晶粒直径的测定法、及粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例的测定法。
在对包括包覆工具的切削刃前端的刀尖部在内的后刀面的剖面进行研磨加工之后，用SEM像观察了其剖面。作为测定条件，使用观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。在测定中使用了从硬质包覆层表面在深度为0.5μm的区域形成的各晶粒。引出与工具基体表面(后刀面)平行的直线，将直线和晶界的交点之间的距离定义为粒径。另外，引出与工具基体表面(后刀面)平行的直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶粒直径的位置。在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，作为具体的测定点，在后刀面上的刀尖的正上方、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置、及从刀尖起距离100μm的位置这三个部位，测定了存在于宽度为10μm的范围内的晶粒的晶粒直径，另外，将该三个部位的平均晶粒直径的平均值设为表面粒径。当在宽度10μm的区域测定粒径时，使用了以各测定部位(从后刀面的刀尖的距离为50μm、100μm的位置)为中心在刀尖侧5μm、刀尖的相反侧5μm的区域存在的晶粒。但是，在后刀面上的刀尖的测定部位，以从刀尖起距离5μm的位置为中心，在刀尖侧5μm、刀尖的相反侧5μm的宽度为10μm的范围内进行了测定。并且，即使关于从硬质包覆层内的工具基体与硬质包覆层的界面在厚度为0.5μm的区域形成的各晶粒，也以相同的方法算出界面粒径。
并且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例的测定方法，使用了在测定上述粒径的界面三个部位、及在表面三个部位测定的晶粒直径的所有测定数据。将相对于所测定的所有的晶粒直径之和的具有0.1μm以下的粒径的晶粒的晶粒直径之和，设为粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例。
接着，关于上述本发明A1～A10及比较例A1～A10的立铣刀，实施了在下述条件(称为切削条件A)下的高硬度钢(在JIS G4404：2006中规定的SKD61(对应于ISO的40CrMoV5，洛氏硬度HRC52))的侧面切削加工试验。
工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD61(HRC52)的板材，
转速：17000min.-1，
纵向切深量：2.0mm，
横向切深量：0.3mm，
进给速度(每1刃)：0.05mm/刃，
切削长度：250m，
切削方式：吹气，
另外，实施了下述条件(称为切削条件B)下的高硬度钢(在JIS G4404：2006中规定的SKD11(对应于AISI的D2，HRC60))的侧面切削加工试验。
工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD11(HRC60)的板材，
转速：5400min.-1，
纵向切深量：2.0mm，
横向切深量：0.2mm，
进给速度(每1刃)：0.05mm/刃，
切削长度：30m，
切削方式：吹气，
任一的侧面切削加工试验中均测定了切削刃的后刀面磨损宽度。
该测定结果在表4中示出。
另外，侧面切削加工试验是指在上述切削加工条件下加工对象工件的侧面，并评价此时工具的损伤情况的试验。
[表4]
(表中，比较例栏的(※)为因崩刀或磨损的原因而达到使用寿命(后刀面磨损宽度0.1mm)为止的切削长度(m))
由表2所示的结果，本发明包覆工具(本发明A1～A10)将由(Al，Cr，B)N层构成的硬质包覆层的粒状晶粒的表面粒径、界面粒径确定为特定的数值范围。并且，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内的粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例确定为20％以下。因此，如表4所示，本发明包覆工具(本发明A1～A10)在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性和优异的耐磨性。
与此相对，在比较例包覆工具(比较例A1～A10)中，如表3所示，硬质包覆层的结构偏离本发明中规定的范围。因此，如表4所示，在比较例包覆工具(比较例A1～A10)中，由于产生崩刀或耐磨性的降低，因此在比较短时间内达到使用寿命。
接着，通过实施例具体说明本发明的包覆工具。
实施例2
作为原料粉末，准备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径：0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径：1.3μm的TaC粉末、平均粒径：1.2μm的NbC粉末、平均粒径：1.2μm的ZrC粉末、平均粒径：2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径：1.5μm的VC粉末、平均粒径：1.0μm的(Ti，W)C[以质量比TiC/WC＝50/50]粉末、及平均粒径：1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别以表5所示的配合组成进行配合，另外，在添加石蜡之后，在丙酮中球磨混合24小时，并进行了减压干燥。其后，以100MPa的压力挤出并冲压成型为规定形状的各种压坯，将这些压坯在6Pa的真空气氛中以7℃/分钟的升温速度升温为1370～1470℃的范围内的规定的温度，在该温度下保持了1小时。其后，在炉冷条件下进行烧结，形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体。进而，由所述圆棒烧结体，通过磨削加工而制造出切削刃部的直径×长度为6mm×6mm尺寸，且具有螺旋角30度的双刃球形的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)B1～B3、以及切削刃部的直径×长度为6mm×12mm尺寸，且具有螺旋角30度的双刃球形的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)B4～B6。
(a)将上述工具基体B1～B6分别在丙酮中进行超声波洗净并干燥的状态下，在从图5A、5B所示的AIP装置250的转台201上的中心轴沿半径方向起距离规定距离的位置沿外周部进行安装，并在AIP装置250的一方配置轰击清洗用Ti阴极电极214，而在另一侧配置由规定组成的Al-Cr-Si合金构成的靶(阴极电极)213。
(b)首先，将装置250内部进行排气以保持真空，并且，用加热器202将工具基体2加热到400℃之后，对于在所述转台201上边自转边旋转的工具基体2施加-1000V的直流偏置电压，且使100A的电流流过Ti阴极电极214和阳极电极212之间，以使电弧放电产生，从而对工具基体2表面进行了轰击清洗。
(c)接着，施加各种磁场，以使从上述Al-Cr-Si合金靶213的表面中心到工具基体2为止的累计磁力在40～150mT×mm的范围内。
在此，如下记述累计磁力的计算方法。利用磁通密度计，在从Al-Cr-Si合金靶213中心到工具基体2的位置为止的直线上，以10mm间隔测定了磁通密度。磁通密度用单位mT(豪特)来表示，从靶表面到工具基体的位置为止的距离用单位mm(毫米)来表示。另外，将从靶213表面中心到工具基体2的位置为止的距离作为横轴，在用纵轴的曲线来表现磁通密度的情况下，将相当于面积的值定义为累计磁力(mT×mm)。在此，工具基体2的位置设为最接近Al-Cr-Si合金靶213的位置。另外，磁通密度的测定是在形成有磁场的状态下在大气压下未提前放电的状态下进行了测定。
(d)接着，将氮气作为反应气体导入到装置内，并将其作为6Pa的反应气氛，并且，将在所述转台201上边自转边旋转的工具基体2的温度维持在370～450℃的范围内，并施加-50V的直流偏置电压，且使100A的电流流过所述Al-Cr-Si合金靶213与阳极电极之间，以使电弧放电产生，从而在所述工具基体的表面蒸镀形成由表6所示的组成及目标平均层厚的(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层。
按以上顺序，分别制造出作为本发明包覆工具的表面包覆立铣刀B1～B10(以下，称为本发明B1～B10)。
[比较例]
以比较为目的，变更上述实施例中的(c)的条件(即，从Al-Cr-Si合金靶的表面中心到工具基体2为止的累计磁力小于40mT×mm，或者超过150mT×mm)，并且，变更(d)的条件(即，工具基体维持小于370℃，或者超过450℃的温度)，其余以与实施例相同的条件分别制造出作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀B1～B5(以下，称为比较例B1～B5)。
另外，分别制造出在包覆层中的Al、Cr及Si的总量中所占的Cr或Si的含有比例在本发明中规定的范围之外的，且包覆层的平均层厚在2～10μm的范围之外的表面包覆立铣刀B6～B10(以下，称为比较例B6～B10)。
关于上述所制作的本发明B1～B10及比较例B1～B10，当观察其纵剖面(垂直于后刀面的面)的硬质包覆层的晶粒形态时，均由纵横尺寸比为1以上且6以下的粒状晶体组织构成。纵横尺寸比将长边作为分子，将短边作为分母而算出在晶粒剖面中最长的直径(长边)和在与其垂直的直径中最长的直径(短边)的长度之比。
另外，用扫描式电子显微镜(SEM)来测定该粒状晶体的晶粒直径，求出在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内的表面粒径、界面粒径。具体而言，在界面及表面上的后刀面上的刀尖的正上方位置(图6的P21、P24)、以及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置(P22、P25)、以及从刀尖起距离100μm的位置(P23、P26)这三个部位，测定存在于宽度为10μm的范围内的全晶粒的晶粒直径，通过算出在三个部位所测定的晶粒直径的平均值，求出表面粒径及界面粒径。
并且，同样地，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，通过在界面及表面上的后刀面上的刀尖的正上方位置(P21、P24)、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置(P22、P25)、及从刀尖起距离100μm的位置(P23、P26)共六个部位进行测定，从而求出具有0.1μm以下的粒径的晶粒所占的晶粒直径长度比例。
表6、表7中示出在上述测定并算出的各值。
另外，如下更具体说明上述晶粒直径的测定法、及粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例的测定法。
在对包括包覆工具的切削刃前端的刀尖部在内的后刀面的剖面进行研磨加工之后，用SEM像观察了其剖面。作为测定条件，使用了观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。在测定中使用了从硬质包覆层表面在深度为0.5μm的区域形成的各晶粒。引出与工具基体表面(后刀面)平行的直线，将直线和晶界的交点之间的距离定义为粒径。另外，引出与工具基体表面(后刀面)平行的直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶粒直径的位置。在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，作为具体的测定点，在后刀面上的刀尖的正上方、及在后刀面上从刀尖起距离50μm的位置、及从刀尖起距离100μm的位置这三个部位，测定了存在于宽度为10μm的范围内的晶粒的晶粒直径，另外，将该三个部位的平均晶粒直径的平均值设为表面粒径。当在宽度10μm的区域测定粒径时，使用了以各测定部位(从后刀面的刀尖的距离为50μm、100μm的位置)为中心，在刀尖侧5μm、刀尖的相反侧5μm的区域所存在的晶粒。但是，在后刀面上的刀尖的测定部位，以从刀尖起距离5μm的位置为中心，在刀尖侧5μm、刀尖的相反侧5μm的宽度为10μm的范围内进行了测定。并且，即使关于从硬质包覆层内的工具基体与硬质包覆层的界面在厚度为0.5μm的区域形成的各晶粒，也以相同的方法算出界面粒径。
并且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例的测定方法，使用了在测定上述粒径的界面三个部位、及在表面三个部位所测定的晶粒直径的所有测定数据。将相对于所测定的所有的晶粒直径之和的具有0.1μm以下的粒径的晶粒的晶粒直径之和，设为粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例。
接着，关于上述本发明B1～B10及比较例B1～B10的立铣刀，实施了在下述条件(称为切削条件A)下的高硬度钢(在JIS G4404：2006中规定的SKD61(对应于ISO的40CrMoV5，洛氏硬度HRC52))的侧面切削加工试验。
工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD61(HRC52)的板材，
转速：17000min.-1，
纵向切深量：2.0mm，
横向切深量：0.3mm，
进给速度(每1刃)：0.05mm/刃，
切削长度：250m，
切削方式：吹气，
另外，实施了在下述条件(称为切削条件B)下的高硬度钢(在JIS G4404：2006中规定的SKD11(对应于AISI的D2、HRC60))的侧面切削加工试验。
工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD11(HRC60)的板材，
转速：5400min.-1，
纵向切深量：2.0mm，
横向切深量：0.2mm，
进给速度(每1刃)：0.05mm/刃，
切削长度：30m，
切削方式：吹气，
并且，在任一的侧面切削加工试验中，均测定切削刃的后刀面磨损宽度。
该测定结果在表8中示出。
另外，侧面切削加工试验是指在上述切削加工条件下加工对象工件的侧面，并评价此时工具的损伤情况的试验。
[表8]
(表中，比较例栏的(※)为因崩刀或磨损的原因而达到使用寿命(后刀面磨损宽度0.1mm)为止的切削长度(m))
从表6所示的结果，本发明包覆工具(本发明B1～B10)将由(Al，Cr，Si)N层构成的硬质包覆层的粒状晶粒的表面粒径、界面粒径设定为特定的数值范围。并且，在从后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内的粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例设定为20％以下。因此，如表8所示，本发明包覆工具(本发明B1～B10)在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性和优异的耐磨性。
与此相对，在比较例包覆工具(比较例B1～B10)中，如表7所示，硬质包覆层的结构偏离本发明中规定的范围。因此，如表8所示，在比较例包覆工具(比较例B1～B10)中，由于产生崩刀或耐磨性的降低，因此在比较短时间内达到使用寿命。
以上，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些实施例。在不脱离本发明的宗旨的范围内，可进行结构的补充、省略、置换、以及其他变更。本发明并不受限于前述说明，而仅受限于权利要求书。
并且，在本发明的包覆工具中的硬质包覆层中也可以含有不可避免杂质，实际上，只要各层具有权利要求书内所记载的组成即可。
如上所述，本发明的包覆工具在供淬火钢等高硬度钢的切削加工中使用时，长期显示出优异的切削性能，因此能够充分地应对切削加工装置的FA化、和切削加工的节省人力化及节能化，进而能够充分应对低成本化。
符号说明
1-工具基体，12-后刀面，13-前刀面，14-硬质包覆层，15-刀尖部，100-电弧离子镀装置(AIP装置)，101-转台，102-加热器，103-反应气体导入口，104-排气口，111-阳极电极，112-阳极电极，113-阴极电极，114-阴极电极，115-电弧电源，116-电弧电源，117-偏置电源，121-后刀面刀尖，131-前刀面刀尖。

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有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
(a)硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及B的总量中Cr所占的含有比例以原子比计为0.2～0.45，B所占的含有比例以原子比计为0.01～0.1；
(b)在从上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.1～0.4μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上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，而且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。
2.一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有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
(a)硬质包覆层由Al、Cr及Si的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及Si的总量中Cr所占的含有比例以原子比计为0.2～0.45，Si所占的含有比例以原子比计为0.01～0.15；
(b)在从上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.1～0.4μm，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上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，而且，粒径为0.1μm以下的晶粒所占的晶粒直径长度比例为20％以下。
3.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在从上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖起距离100μm的位置为止的范围内，晶粒的平均纵横尺寸比为1以上且6以下。
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