CN105026083B - 被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于：提供一种耐磨性优良、且工具寿命长的被覆切削工具，其包括基材和被覆层；被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AlaTibMc)X[其中，M表示Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，a表示Al元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，b表示Ti元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，X表示C、N以及O之中的至少1种元素，c表示M元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，a、b、c满足0.30≤a≤0.65、0.35≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1]；粗粒层的平均层厚为0.2～10μm。

Description

被覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种被覆切削工具。
背景技术
在钢、铸铁、不锈钢、耐热合金等的切削加工中，广泛使用在硬质合金、金属陶瓷、cBN烧结体等基材的表面形成有TiN层和TiAlN层等的被覆切削工具。
作为被覆切削工具的现有技术，具有表面被覆硬质构件，其特征在于：具有覆盖膜，该覆盖膜是采用物理蒸镀法，在由WC基硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、高速钢等构成的母材的表面，将由选自IVa、Va、VIa族金属元素以及Al、Si之中的2种以上的元素构成的合金的氮化物、氧化物、碳化物、碳氮化物或者硼化物以50nm以下的粒径构成的(例如参照专利文献1)。
另外，还具有一种硬质膜被覆工具，其特征在于：其是在基体表面，被覆以Ti和Al为主的复合氮化物、复合碳化物、复合碳氮化物之中的任一种的单层硬质膜或者由两种以上构成的多层硬质膜的硬质膜被覆工具，其中，将所述硬质膜晶粒在横向的结晶粒径(b)的平均值设定在0.1～0.4μm的范围，且将所述硬质膜的结晶粒径的纵/横比a/b的平均值设定在1.5～7的范围(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3341328号公报
专利文献2：日本专利第3526392号公报
发明内容
发明所要解决的课题
近年来，机床的高性能化异常显著，与之相伴随，已经能够在高速 切削、高进给量加工等苛刻的切削条件下进行切削加工。如果在这样的切削条件下使用以前的被覆切削工具，则存在耐磨性降低的问题。本发明的目的在于：提供一种与以前相比耐磨性优良、且工具寿命长的被覆切削工具。
用于解决课题的手段
本发明人就提高被覆层的耐磨性反复进行了研究，获得了如下的见解：如果使被覆层的组成最优化，而且使其粒径成为粗粒，则耐磨性得以提高，从而可以实现被覆切削工具的长寿命化；以至完成了本发明。
也就是说，本发明的要旨如下所述。
(1)一种被覆切削工具，其包括基材、和在基材的表面形成的被覆层；被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AlaTibMc)X[其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，X表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，a表示Al元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，b表示Ti元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，c表示M元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，a、b、c满足0.30≤a≤0.65、0.35≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1]；粗粒层的平均层厚为0.2～10μm。
(2)根据上述(1)所述的被覆切削工具，其中，a、b、c满足0.30≤a≤0.50、0.50≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1。
(3)根据上述(1)或(2)所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的X表示N。
(4)根据上述(1)～(3)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其粗粒层的平均粒径Lx超过400nm且在1000nm以下。
(5)根据上述(1)～(4)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时的粗粒层的平均粒径Ly相对于在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时的粗粒层的平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)为0.7以上且低于1.5。
(6)根据上述(1)～(5)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为立方晶。
(7)根据上述(6)所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽为0.6度以下。
(8)根据上述(1)～(7)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，被覆层包括在基材的表面形成的下层、和在下层的表面形成的粗粒层；下层为单层或者多层，该单层或者多层由选自下述单质和化合物之中的至少1种构成，
单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；
化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成。
(9)根据上述(1)～(8)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为最上层。
(10)一种被覆切削工具，其包括基材、和在基材的表面形成的被覆层；被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AldCreLf)Z[其中，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，Z表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，d表示Al元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，e表示Cr元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，f表示L元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，d、e、f满足0.25≤d≤0.70、0.30≤e≤0.75、0≤f≤0.20、d+e+f＝1]；粗粒层的平均层厚为0.2～10μm。
(11)根据上述(10)所述的被覆切削工具，其中，d、e、f满足0.40≤d≤0.70、0.30≤e≤0.50、0≤f≤0.20、d≥e、d+e+f＝1。
(12)根据上述(10)或(11)所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的Z表示N。
(13)根据上述(10)～(12)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其粗粒层的平均粒 径Lx超过400nm且在1000nm以下。
(14)根据上述(10)～(13)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时的粗粒层的平均粒径Ly相对于在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时的粗粒层的平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)为0.7以上且低于1.5。
(15)根据上述(10)～(14)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为立方晶。
(16)根据上述(15)所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽为0.6度以下。
(17)根据上述(10)～(16)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，被覆层包括在基材的表面形成的下层、和在下层的表面形成的粗粒层；下层为单层或者多层，该单层或者多层由选自下述单质和化合物之中的至少1种构成，单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成。
(18)根据上述(10)～(17)中的任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为最上层。
本发明的被覆切削工具包括基材、和在基材的表面形成的被覆层。本发明的基材只要能用作被覆切削工具的基材就没有特别的限定，但例如可以列举出硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、金刚石烧结体、高速钢等。其中，如果基材为硬质合金，则耐磨性以及耐缺损性(或者耐崩裂性：chipping resistance)优良，因而是进一步优选的。
本发明的被覆层只要能用作被覆切削工具的被覆层就没有特别的限定；但其中，如果为单层或者多层，且该单层或者多层为选自下述单质和化合物之中的至少1种，单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成；由于耐磨性得以提高，因而是进一步优选的。构成本发明被覆层的各层的组成可以使用附属于扫描电子显微镜(SEM)、 场致发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)等电子显微镜的能量分散型X射线光谱仪(EDS)和波长分散型X射线光谱仪(WDS)等进行测定。
本发明的整个被覆层的平均层厚优选为0.2～10μm。这是因为在本发明的整个被覆层的平均层厚低于0.2μm时，提高耐磨性的效果较少，如果超过10μm，则变得容易剥离。本发明的整个被覆层的层厚以及构成被覆层的各层的层厚可以使用光学显微镜、SEM、FE-SEM、TEM等，在朝向与金属蒸发源相对置的面的中心部距该面的刀刃(cutting edge)50μm的位置，对5个以上的部位进行测定，将它们的平均值设定为整个被覆层的平均层厚以及构成被覆层的各层的平均层厚。
在本发明的一个实施方式中，被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径超过200nm，其组成可表示为(AlaTibMc)X[其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，X表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，a表示Al元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，b表示Ti元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，c表示M元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，a、b、c满足0.30≤a≤0.65、0.35≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1]。如果a低于0.30，则过于成为粗粒而使耐缺损性降低，如果a增多而超过0.65，则过于成为微粒而使耐磨性降低，如果b低于0.35，则过于成为微粒而使耐磨性降低，如果b增多而超过0.70，则过于成为粗粒而使耐缺损性降低。粗粒层除Al元素和Ti元素以外，还可以含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，但如果c在0～0.20的范围，则粗粒层的组织致密化，粗粒层的强度得以提高，从而可以提高整个被覆层的耐磨性。如果c增多而超过0.20，则过于成为微粒而使耐磨性降低。因此，设定0.30≤a≤0.65、0.35≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1。其中，如果0.30≤a≤0.50、0.50≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1，则平均粒径容易增大，可以看到耐磨性有提高的倾向，因而是进一步优选的。X表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，但其中，如果X表示CN或 者N，则耐磨性得以提高，因而是优选的，其中，如果X表示N，则耐磨性得以提高，因而是进一步优选的。
在本发明的一个实施方式中，被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AldCreLf)Z[其中，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，Z表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，d表示Al元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，e表示Cr元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，f表示L元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，d、e、f满足0.25≤d≤0.70、0.30≤e≤0.75、0≤f≤0.20、d≤e、d+e+f＝1]。如果d低于0.25，则过于成为粗粒而使耐缺损性降低，如果d增多而超过0.70，则过于成为微粒而使耐磨性降低，如果e低于0.3，则过于成为微粒而使耐磨性降低，如果e增多而超过0.75，则过于成为粗粒而使耐缺损性降低。粗粒层除Al元素和Cr元素以外，还可以含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，如果f在0～0.20的范围，则粗粒层的组织致密化，粗粒层的强度得以提高，从而可以提高整个被覆层的耐磨性。如果f增多而超过0.20，则过于成为微粒而使耐磨性降低。因此，设定0.25≤d≤0.70、0.3≤e≤0.75、0≤f≤0.20、d+e+f＝1。其中，如果d≤e，且0.40≤d≤0.70、0.3≤e≤0.50、0≤f≤0.20、d+e+f＝1，则平均粒径容易增大，可以看到耐磨性有提高的倾向，因而是进一步优选的。Z表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，但其中，如果Z表示CN或者N，则耐磨性得以提高，因而是优选的，其中，如果Z表示N，则耐磨性得以提高，因而是进一步优选的。
如上所述，本发明在被覆层的至少1层的组成用(AlaTibMc)X或者(AldCreLf)Z表示、且Ti或者Cr的含量处于上述范围的情况下，可以得到耐磨性和耐缺损性两者均优良的被覆切削工具。此外，当将Ti的含量控制在0.35≤b≤0.70的范围时，Cr的含量优选控制在0.20以下，当将Cr的含量控制在0.3≤e≤0.75的范围时，优选将Ti的含量控制在0.20以下。
本发明的粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，由于其平均粒径Lx超过200nm，因而耐磨性优良。其理由可以认为如下。如图1所示，如果被覆层的平均粒径较小，则在切削时所产生的外力的作用下，如图2所示，容易产生被覆层的晶粒的脱落。另一方面，如图3所示，如果被覆层的平均粒径较大，则在切削时所产生的外力的作用下，如图4所示，难以产生被覆层的晶粒的脱落。本发明的粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm。由于平均粒径Lx越大，越表现出优良的耐磨性，因而平均粒径Lx进一步优选为400nm以上，但平均粒径Lx超过1000nm的粗粒层的制造困难，从而考虑到生产率，平均粒径Lx进一步优选为400～1000nm的范围。另外，切削时由于从被覆层的表面产生晶粒的脱落，因而如果被覆层的最表面侧为粗粒层，即最上层为粗粒层，则提高耐磨性的效果得以升高，因而是进一步优选的。本发明的粗粒层的耐磨性优良。因此，可以提高被覆层的耐磨性，从而可以延长本发明的被覆切削工具的工具寿命。
本发明在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其粗粒层的平均粒径Lx可以用镜面研磨粗粒层的表面侧界面而得到的、从表面组织中排除直径为100nm以上的小滴(droplet)所获得的组织进行测定。具体地说，采用研磨等将从粗粒层的表面侧界面至深度为100nm的部分除去，用成为镜面的表面组织测定粗粒层的平均粒径Lx。作为研磨方法，可以列举出使用金刚石浆料或胶体二氧化硅而研磨成镜面的方法、和离子研磨等。采用SEM、FE-SEM、TEM、电子背散射衍射装置(EBSD)等对成为镜面的粗粒层的表面组织进行观察，从除去了直径为100nm以上的小滴的组织中，将面积与粗粒层的某一个晶粒的面积相等的圆的直径设定为该晶粒的粒径。采用同样的方法，求出所观察的表面组织中含有的晶粒的粒径。然后，制作出由以5nm的间隔划分的表示粒径的横轴、和表示5nm的间隔划分中含有的全部晶粒的面积比的纵轴构成的粒度分布。接着，将5nm的间隔划分的中心值(例如，5～10nm的划分的中心值为7.5nm)与其划分中含有的全部晶粒的面积比相乘。将5nm的间隔划分的中心值与其划分中含有的全部晶粒的面积比相乘而 得到的值都进行合计，将这样合计得到的值设定为粗粒层的平均粒径Lx。作为测定装置，EBSD由于晶粒的晶界清晰，因而是优选的，作为EBSD的设定，优选的是步长0.01μm、测定范围2μm×2μm、将方位差在5°以上的边界看作是晶界的设定。此外，从成为镜面的粗粒层的表面组织中，可以容易地区别直径100nm以上的小滴和小滴以外的组织。如果观察镜面的表面组织，则小滴呈圆形，在小滴的周围形成厚度为几nm～几十nm的空隙。另外，小滴在镜面研磨中有时从粗粒层上脱落。在此情况下，在粗粒层中产生圆形的孔。因此，在粗粒层中，可以容易地区别直径100nm以上的小滴和小滴以外的组织。
本发明在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时，其粗粒层的平均粒径Ly可以用镜面研磨粗粒层的断面而得到的、从断面组织中排除宽度为100nm以上的小滴所获得的组织进行测定。作为对粗粒层的断面进行镜面研磨的方法，可以列举出在采用金刚石磨石进行磨削后，使用金刚石浆料或胶体二氧化硅而进行研磨的方法和离子研磨等。采用SEM、FE-SEM、TEM、EBSD等对成为镜面的粗粒层的断面组织进行观察，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时，可以测定粗粒层的平均粒径Ly。具体地说，采用SEM、FE-SEM、TEM、EBSD等将粗粒层的断面组织放大至5000～50000倍而进行观察，在这样得到的图像中，如图5所示那样在与被覆层和基材的界面垂直的方向以500nm的间隔引直线。在直线落在宽度为100nm以上的小滴上时，再在距离500nm的地方引直线。将从粗粒层的基材侧界面或者粗粒层的表面侧界面至直线与晶界交叉的点的长度、或者从直线与晶界交叉的点至直线与晶界交叉的下一点的长度设定为Ln(n＝1，2，3，…)。在直线与晶界不交叉时，将从粗粒层的基材侧界面至粗粒层的表面侧界面的长度设定为Ln。将使这些值平均所得到的值设定为平均粒径Ly。此时，测定所使用的直线的根数优选为10根以上。此外，从成为镜面的粗粒层的断面组织中，可以容易地区别宽度100nm以上的小滴和小滴以外的组织。如果观察镜面的断面组织，则小滴呈圆形、椭圆形或者泪珠形，在小滴的基材侧的界面形成厚度为几nm～几十nm的空隙。另外，小滴在镜面研磨中有时从粗粒层上脱落。在此情况下，在粗粒层中产生圆形、椭圆形 或者泪珠形的孔。因此，在粗粒层中，可以容易地区别宽度100nm以上的小滴和小滴以外的组织。
在本发明中，如果在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时的粗粒层的平均粒径Ly相对于在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时的粗粒层的平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)超过1.5，则切削加工中在施加于刀刃的负载的作用下，从工具表面产生的裂纹容易发展，从而可以看到耐缺损性降低的倾向。另一方面，如果Ly相对于Lx的粒径比(Ly/Lx)为0.7～1.5，则可以看到耐磨性和耐缺损性两者均良好的倾向。因此，如果Ly相对于Lx的粒径比(Ly/Lx)为0.7～1.5，则是进一步优选的。
本发明的粗粒层的平均层厚设定为0.2～10μm。这是因为在低于0.2μm时，使耐磨性提高的粗粒层的效果减少，在超过10μm时，基材和被覆层的附着力降低，容易产生剥离或崩裂。其中，本发明的粗粒层的平均层厚进一步优选为0.5～10μm。
如果本发明的粗粒层为立方晶，则硬度高，耐磨性优良，因而是进一步优选的。其中，如果在使用Cu-Kα射线的X射线衍射测定中得到的本发明的粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽在0.6度以下，则可以抑制本发明的粗粒层的晶粒的脱落，因而是进一步优选的。粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽可以使用市售的X射线衍射装置进行测定。例如，可以进行对阴极(X射线管中的靶子)：Cu、管电压：50kV、管电流：250mA、Cu-Kα射线、扫描轴：2θ/θ、入射侧梭拉狭缝(Soller slit)：5度、发散纵狭缝2/3度、发散纵向限位狭缝：5mm、散射狭缝：2/3度、受光侧梭拉狭缝：5度、受光狭缝：0.30mm、受光单色狭缝：0.8mm、X射线的单色化：石墨受光单色仪(弯曲模式)、取样宽度：0.01度、扫描速度：4度/min、布拉格角(2θ)的测定范围设定为30度～70度的X射线衍射测定。如果在该测定条件下进行本发明粗粒层的X射线衍射测定，则可以观察到本发明粗粒层的立方晶的(200)面的X射线衍射峰。对于这样得到的粗粒层的(200)面的X射线衍射峰，可以测定半峰宽。半峰宽的测定也可以使用X射线衍射装置附属的解析软件。在使用解析软件的情况下，使用三次样条逼近进行本底处理以及Kα2峰的除去，并使用Pearson-VII函数进行轮廓拟合(profile fitting)，然后采用峰顶法求出峰位置，从而导出半峰宽。
在形成于基材上的被覆层中，可以将相对于规定的层(例如粗粒层)而形成于表面侧的层称之为上层，将相对于规定的层而形成于基材侧的层称之为下层。本发明的被覆层包括在基材的表面形成的下层、和在下层的表面形成的粗粒层；下层进一步优选为单层或者多层，该单层或者多层为选自下述单质和化合物之中的至少1种，单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成。如果将与基材的附着力和耐缺损性优良的下层、与耐磨性优良的粗粒层层叠，则可以进一步提高切削性能。也可以在本发明的粗粒层的表面形成上层，但被覆层的最上层优选为粗粒层。
本发明的被覆层可以通过电弧离子镀法、离子镀法、溅射法、离子混合法等各种物理蒸镀法来形成。具体地说，可以将基材装入物理蒸镀装置的反应容器内，对基材的表面进行离子轰击处理，然后使与被覆层的组成相适应的金属蒸发源蒸发，并用N2、CH4等反应气体充满反应容器内，使反应容器内处在规定的压力下，对基材施加规定的偏压而形成本发明的被覆层。
作为本发明粗粒层的形成方法，如果使用电弧离子镀法，降低金属蒸发源中心的磁通密度，从而降低形成时的基材温度，则耐磨性的提高效果升高，因而是进一步优选的。具体地说，如果使反应容器内的压力处在0.5～5.0Pa的规定压力下，对基材施加-10V～-150V的偏压，且将金属蒸发源中心的磁通密度设定为7mT～12mT的规定磁通密度，并使试料的温度处在500～700℃的规定温度下，从而形成本发明的粗粒层，则是进一步优选的。此外，金属蒸发源中心的磁通密度可以用高斯计进行测定。
发明的效果
本发明的被覆切削工具产生了耐磨性优良、且工具寿命长的效果。
附图说明
图1是切削试验前的平均粒径小的被覆层的断面组织的示意图的一个例子。
图2是切削试验后的平均粒径小的被覆层的断面组织的示意图的一个例子。
图3是切削试验前的平均粒径大的被覆层的断面组织的示意图的一个例子。
图4是切削试验后的平均粒径大的被覆层的断面组织的示意图的一个例子。
图5是被覆切削工具的断面组织的示意图。
具体实施方式
实施例1
作为基材，准备与ISO标准SEKN1203AGTN插入形状(insert shape)的P20相当的硬质合金。在电弧离子镀装置的反应容器内，设置成为表1和表2所示的被覆层原料的金属蒸发源，将基材安装在电弧离子镀装置的反应容器内的试料夹具上，将反应容器内的压力设定为1×10-2Pa以下的真空，采用炉内加热器进行加热，直至基材的温度达到500℃。在基材的温度达到500℃后，导入Ar气直至反应容器内的压力达到5Pa，将反应容器内的气氛设定为Ar气氛，并将反应容器内的压力设定为5Pa，在对基材施加-1000V的偏压的离子轰击条件下进行Ar离子轰击处理。
在Ar离子轰击处理后，排出Ar气而将反应容器内的压力设定为1×10-2Pa以下的真空。对于试料编号1～16、19～36，往反应容器内导入N2气而将反应容器内设定为压力3Pa的氮气氛。对于试料编号17、18，往反应容器内导入以N2气和CH4气的分压比为N2﹕CH4＝1﹕1的方式混合而成的混合气体，从而设定为反应容器内的压力＝3Pa的混合气体气氛。接着，采用炉内加热器进行加热，直至基材温度达到表1和表2所示的基材温度，然后在将施加于基材的偏压设定为-50V，将金属蒸发源中心的磁通密度设定为表1和表2所示的磁通密度，且将电弧电 流设定为150A的被覆条件下，在基材的表面形成表1和表2所示的被覆层。在形成了被覆层之后，将试料冷却，在试料温度达到100℃以下后，从反应容器内取出试料。
表1
表2
对于得到的试料，在朝向与金属蒸发源相对置的面的中心部距该面的刀刃50μm的位置，使用光学显微镜以及FE-SEM，在5个部位测定被覆层的层厚，将使它们平均而得到的平均值设定为被覆层的平均层厚。被覆层的组成使用FE-SEM附属的EDS以及FE-SEM附属的WDS进行测定。
对于得到的试料，用金刚石浆料从被覆层的表面研磨至深度为100nm的位置，进而使用胶体二氧化硅研磨成镜面。采用EBSD对成为镜面的被覆层的表面组织进行观察，从而测定出被覆层的平均粒径Lx。EBSD进行如下的设定：步长：0.01μm，测定范围：2μm×2μm，并将方位差在5°以上的边界看作是晶界。将面积与被覆层的某一个晶粒的面积相等的圆的直径设定为该晶粒的粒径。采用同样的方法，求出了所观察的表面组织中含有的晶粒的粒径。然后，制作出由以5nm的间隔划分的表示粒径的横轴、和表示5nm的间隔划分中含有的全部晶粒的面积比的纵轴构成的粒度分布，并将5nm的间隔划分的中心值与其划分中含有的全部晶粒的面积比相乘。将5nm的间隔划分的中心值与其划分中含有的全部晶粒的面积比相乘而得到的值都进行合计，将这样合计得到的值设定为粗粒层的平均粒径Lx。
用金刚石浆料对由切割机切断而得到的试料的断面进行研磨，进而 使用胶体二氧化硅研磨成镜面。采用EBSD对成为镜面的被覆层的断面进行观察，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时，测定了被覆层的平均粒径Ly。此时，EBSD进行如下的设定：步长：0.01μm，测定范围：2μm×2μm，并将方位差在5°以上的边界看作是晶界。在采用EBSD将被覆层的断面组织放大至5000～50000倍的图像中，在与被覆层和基材的界面垂直的方向以500nm的间隔引10根直线。将从被覆层的基材侧界面或者被覆层的表面侧界面至直线与晶界交叉的点的长度、或者从直线与晶界交叉的点至直线与晶界交叉的下一点的长度设定为Ln(n＝1，2，3，…)。另外，在直线与晶界不交叉时，将从被覆层的基材侧界面至粗粒层的表面侧界面的长度设定为Ln。将使这些Ln平均所得到的值设定为平均粒径Ly。
对于得到的试料，进行了对阴极：Cu、管电压：50kV、管电流：250mA、Cu-Kα射线、扫描轴：2θ/θ、入射侧梭拉狭缝：5度、发散纵狭缝2/3度、发散纵向限位狭缝：5mm、散射狭缝：2/3度、受光侧梭拉狭缝：5度、受光狭缝：0.30mm、受光单色狭缝：0.8mm、X射线的单色化：石墨受光单色仪(弯曲模式)、取样宽度：0.01度、扫描速度：4度/min、布拉格角(2θ)的测定范围设定为30度～70度的X射线衍射测定。结果可知：得到的被覆层的晶系均为立方晶。被覆层的组成、与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx、与被覆层和基材的界面垂直的方向的平均粒径Ly、平均粒径Ly相对于平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)以及整个被覆层的平均层厚记载于表1和表2中。
将得到的试料安装在下述的刀具上而进行了切削试验1。直至达到工具寿命的加工距离如表3和表4所示。
[切削试验1]
被切削材料：S45C、
切削速度：200m/min、
进给量：0.2mm/tooth(齿)、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：50mm、
刀具有效直径：φ100mm、
冷却液：不使用(干加工)、
工具寿命的判定：将后隙面最大磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命
表3
表4
如表3和表4所示，与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx较大的发明品由于耐磨性优良，因而与比较品相比，直至达到工具寿命的加工距离更长。
实施例2
作为基材，准备与ISO标准SEKN1203AGTN插入形状的P20相当的硬质合金。在电弧离子镀装置的反应容器内，设置成为表5所示的被覆层原料的金属蒸发源，将基材安装在电弧离子镀装置的反应容器内的试料夹具上，在与实施例1同样的条件下进行Ar离子轰击处理。在Ar离子轰击处理后，排出Ar气而将反应容器内的压力设定为1×10-2Pa以下的真空。往反应容器内导入N2气而将反应容器内设定为压力3Pa的氮气氛。采用炉内加热器进行加热，直至基材温度达到表5所示的温度，然后在将施加于基材的偏压设定为-50V，将金属蒸发源中心的磁通密度设定为表5所示的磁通密度，且将电弧电流设定为150A的被覆条件下，在基材的表面形成表5所示的被覆层。在形成了被覆层之后，将试料冷却，在试料温度达到100℃以下后，从反应容器内取出试料。
表5
对于得到的试料，在与实施例1相同的测定条件下，测定了被覆层的晶系、组成、与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx、与被覆层和基材的界面垂直的方向的平均粒径Ly、平均粒径Ly相对于平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)以及整个被覆层的平均层厚。这些结果记载于表5中。此外，得到的试料的被覆层均为立方晶。
得到的试料安装在下述的刀具上而进行了切削试验2、3。直至达到工具寿命的加工距离如表6所示。此外，切削试验2主要是评价耐磨性的试验，切削试验3主要是评价耐缺损性的试验。
[切削试验2]
被切削材料：S45C、
切削速度：250m/min、
进给量：0.1mm/tooth、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：50mm、
刀具有效直径：φ100mm、
冷却液：不使用(干加工)、
工具寿命的判定：将后隙面最大磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命
[切削试验3]
被切削材料：SCM440、
切削速度：250m/min、
进给量：0.4mm/tooth、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：105mm、
刀具有效直径：φ125mm、
冷却液：不使用(干加工)、
工具寿命的判定：将试料达到缺损时设定为工具寿命
表6
如表6所示，与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx较大的发明品由于耐磨性以及耐缺损性优良，因而与比较品相比，直至达到工具寿命的加工距离更长。
实施例3
作为基材，准备与ISO标准SEKN1203AGTN插入形状的P20相当的硬质合金。在电弧离子镀装置的反应容器内，设置成为表7所示的被覆层原料的金属蒸发源，将基材安装在电弧离子镀装置的反应容器内的 试料夹具上，在与实施例1同样的条件下进行Ar离子轰击处理。在Ar离子轰击处理后，排出Ar气而将反应容器内的压力设定为1×10-2Pa以下的真空。往反应容器内导入N2气而将反应容器内设定为压力3Pa的氮气氛。采用炉内加热器进行加热，直至基材温度达到表7所示的基材温度，然后在将施加于基材的偏压设定为-50V，将金属蒸发源中心的磁通密度设定为表7所示的磁通密度，且将电弧电流设定为150A的被覆条件下，在基材的表面形成表7所示的被覆层。在形成了被覆层之后，将试料冷却，在试料温度达到100℃以下后，从反应容器内取出试料。
表7
对于得到的试料，在与实施例1相同的测定条件下，测定了被覆层的晶系、组成、与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx、与被覆层和基材的界面垂直的方向的平均粒径Ly、平均粒径Ly相对于平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)以及被覆层的平均层厚。此外，得到的试料的被覆层均为立方晶。再者，对于粗粒层的(200)面的X射线衍射峰，采用MDI公司生产的XRD解析软件JADEver.6，利用三次样条逼近进行本底处理以及Kα2峰的除去，并使用Pearson-VII函数进行轮廓拟合，然后采用峰顶法求出峰位置，从而导出半峰宽。这些结果记载于表7中。
得到的试料安装在下述的刀具上而进行了切削试验4。直至达到工具寿命的加工距离如表8所示。
[切削试验4]
被切削材料：SCM440、
切削速度：200m/min、
进给量：0.1mm/tooth、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：50mm、
刀具有效直径：φ100mm、
冷却液：不使用(干加工)、
工具寿命的判定：将后隙面最大磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命
表8
如表8所示，与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx较大、且被覆层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽较小的发明品由于耐磨性优良，因而与比较品相比，直至达到工具寿命的加工距离更长。
实施例4
作为基材，准备与ISO标准SEKN1203AGTN插入形状的P20相当的硬质合金。在电弧离子镀装置的反应容器内，设置成为表9所示的被覆层原料的金属蒸发源，将基材安装在电弧离子镀装置的反应容器内的试料夹具上，在与实施例1同样的条件下进行Ar离子轰击处理。在Ar离子轰击处理后，排出Ar气而将反应容器内的压力设定为1×10-2Pa以下的真空。往反应容器内导入N2气而将反应容器内设定为压力3Pa的氮气氛。采用炉内加热器进行加热，直至基材温度达到700℃，然后在将施加于基材的偏压设定为-50V，将金属蒸发源中心的磁通密度设定为20mT，且将电弧电流设定为150A的被覆条件下，交互被覆表9所示的A层和B层，从而在基材的表面形成交互层叠结构的下层。
接着，采用炉内加热器进行加热，直至试料温度达到表9所示的最上层的试料温度，然后在将施加于基材的偏压设定为-50V，将金属蒸发源中心的磁通密度设定为表9的最上层的磁通密度，且将电弧电流设定为150A的被覆条件下，在下层的表面形成表10所示的最上层。在形成了最上层之后，将试料冷却，在试料温度达到100℃以下后，从反应容器内取出试料。
对于得到的试料，在朝向与金属蒸发源相对置的面的中心部距该面的刀刃50μm的位置，使用光学显微镜、FE-SEM以及TEM，测定了下层的A层与B层的组成和平均层厚、将下层的A层的层厚和下层的B层的层厚合计所得到的层叠周期、层叠周期的循环数、最上层的组成和平均层厚以及整个被覆层的平均层厚。此外，对于下层的A层、下层的B层、最上层、整个被覆层的各层厚，在5个部位进行测定，将它们进行平均而设定为各层的平均层厚。另外，使用FE-SEM附属的EDS、FE-SEM附属的WDS、TEM附属的EDS、TEM附属的WDS对下层的A层、下层的B层、最上层各自的组成进行了测定。这些结果记载于表9中。对于得到的试料，在与实施例1相同的测定条件下进行X射线衍射测定，测定了最上层的晶系。此外，得到的试料的最上层均为立方晶。另外，在与实施例1相同的测定条件下，测定了与被覆层和基材的界面平行的方向的最上层的平均粒径Lx、与被覆层和基材的界面垂直的方向的最上层的平均粒径Ly、以及平均粒径Ly相对于平均粒径Lx之粒径比(Ly/Lx)。这些结果记载于表10中。
表10
得到的试料安装在下述的刀具上而进行了切削试验5。直至达到工具寿命的加工距离如表11所示。
[切削试验5]
被切削材料：SCM440、
切削速度：250m/min、
进给量：0.1mm/tooth、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：50mm、
刀具有效直径：φ100mm、
冷却液：不使用(干加工)、
工具寿命的判定：将后隙面最大磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命
表11
如表11所示，与被覆层和基材的界面平行的方向的平均粒径Lx较大的发明品由于耐磨性优良，因而与比较品相比，直至达到工具寿命的加工距离更长。
符号说明：
1 被覆层的晶粒
2 被覆层的晶粒脱落的部位
3 被覆层
4 基材
5 表面侧界面
6 基材侧界面

Claims (20)

1.一种被覆切削工具，其包括基材、和在基材的表面形成的被覆层；被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AlaTibMc)X，其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，X表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，a表示Al元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，b表示Ti元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，c表示M元素相对于Al元素和Ti元素和M元素的合计的原子比，a、b、c满足0.30≤a≤0.65、0.35≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1；粗粒层的平均层厚为0.2～10μm。
2.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中，a、b、c满足0.30≤a≤0.50、0.50≤b≤0.70、0≤c≤0.20、a+b+c＝1。
3.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的X表示N。
4.根据权利要求2所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的X表示N。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其粗粒层的平均粒径Lx超过400nm且在1000nm以下。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时的粗粒层的平均粒径Ly相对于在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时的粗粒层的平均粒径Lx之粒径比Ly/Lx为0.7以上且低于1.5。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为立方晶。
8.根据权利要求7所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽为0.6度以下。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，被覆层包括在基材的表面形成的下层、和在下层的表面形成的粗粒层；下层为单层或者多层，该单层或者多层由选自下述单质和化合物之中的至少1种构成，
单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；
化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为最上层。
11.一种被覆切削工具，其包括基材、和在基材的表面形成的被覆层；被覆层的至少1层为粗粒层，该粗粒层在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其平均粒径Lx超过200nm，其组成可表示为(AldCreLf)Z，其中，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Y、B以及Si之中的至少1种元素，Z表示选自C、N以及O之中的至少1种元素，d表示Al元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，e表示Cr元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，f表示L元素相对于Al元素和Cr元素和L元素的合计的原子比，d、e、f满足0.25≤d≤0.70、0.30≤e≤0.75、0≤f≤0.20、d+e+f＝1；粗粒层的平均层厚为0.2～10μm。
12.根据权利要求11所述的被覆切削工具，其中，d、e、f满足0.40≤d≤0.70、0.30≤e≤0.50、0≤f≤0.20、d≥e、d+e+f＝1。
13.根据权利要求11所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的Z表示N。
14.根据权利要求12所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的Z表示N。
15.根据权利要求11～14中任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时，其粗粒层的平均粒径Lx超过400nm且在1000nm以下。
16.根据权利要求11～14中任一项所述的被覆切削工具，其中，在与被覆层和基材的界面垂直的方向测定时的粗粒层的平均粒径Ly相对于在与被覆层和基材的界面平行的方向测定时的粗粒层的平均粒径Lx之粒径比Ly/Lx为0.7以上且低于1.5。
17.根据权利要求11～14中任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为立方晶。
18.根据权利要求17所述的被覆切削工具，其中，粗粒层的(200)面的X射线衍射峰的半峰宽为0.6度以下。
19.根据权利要求11～14中任一项所述的被覆切削工具，其中，被覆层包括在基材的表面形成的下层、和在下层的表面形成的粗粒层；下层为单层或者多层，该单层或者多层由选自下述单质和化合物之中的至少1种构成，
单质：由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Y、Al以及Si之中的A组元素的至少1种构成；
化合物：由这些A组元素的至少1种、和选自碳、氮、氧以及硼之中的B组元素的至少1种构成。
20.根据权利要求11～14中任一项所述的被覆切削工具，其中，粗粒层为最上层。
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