CN106132603A - 包覆工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供与以往的工具相比能够延长工具寿命的包覆工具。包覆工具包含基材和形成在基材表面上的包覆层。包覆层包含第1层叠结构和第2层叠结构。第1层叠结构和第2层叠结构连续交替地层叠2次以上。第1层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上，第1层叠结构中所含的层的平均厚度为60nm以上且500nm以下。第2层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上。第2层叠结构中所含的层的平均厚度为2nm以上且小于60nm。第1层叠结构及第2层叠结构中所含的层包含含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、Sn及Bi中的至少1种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。第1层叠结构和/或第2层叠结构的平均厚度从基材侧向着包覆层的表面侧连续地或阶段地减小。

Description

包覆工具
技术领域
本发明涉及一种包覆工具。
背景技术
近年来，切削加工高效化的要求逐渐提高。随着该要求的提高，要求与以往相比工具寿命更长的切削工具。因此，作为工具材料所要求的特性，提高关系切削工具寿命的特性变得重要。例如，提高切削工具的耐磨损性及耐缺损性越发变得重要。为了提高这些特性，使用了在基材上形成有将覆膜交替地层叠而成的交替层叠膜的包覆工具。
为了改善这样的交替层叠膜的特性，提出了各种各样的技术。例如，专利文献1中提出了，将特定的金属元素或其化合物与特定的合金化合物以0.4nm～50nm的层叠周期层叠在母材表面上而成的切削工具。并记载了，该切削工具显示优异的耐磨损性。
专利文献2中提出了，在基体表面上将第1层和第2层交替地层叠4层以上而成的切削工具。第1层含有以(Ti1-XAlX)N(以原子比计，X：0.30～0.70)的组成式表示的复合氮化物。第2层含有氧化铝相和氮化钛相。第2层中的氧化铝相的比例相对于氧化铝相与氮化钛相的合计为35～65质量％。第1层及第2层的平均厚度分别为0.2～1μm。第1层及第2层整体的平均厚度为2～10μm。并记载了，该切削工具显示优异的耐磨损性。
专利文献3中提出了，包含第1层叠结构和第2层叠结构的包覆工具。第1层叠结构具有周期性地层叠组成不同的2个以上的层而成的结构。第1层叠结构中所含的各层的平均厚度为60nm以上且500nm以下。第2层叠结构具有周期性地层叠组成不同的2个以上的层而成的结构。第2层叠结构中所含的各层的平均厚度为2nm以上且小于60nm。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-205361号公报
专利文献2：日本特开2003-200306号公报
专利文献3：国际公开WO2014/025057
发明内容
发明所要解决的课题
近年来，切削加工的高速化、高进给化及深进刀量化变得更为显著。因此，常常发生工具的缺损。例如加工中，由于施加于刀尖的负荷，工具表面发生开裂。由于该开裂向基材进展而发生工具的缺损。另外，由于刀尖的温度急剧地增加或减小，基材上发生开裂。由于该开裂进展至包覆层而发生工具的缺损。
由于这样的背景，虽然上述专利文献1中记载的切削工具显示高的耐磨损性，但是存在易于发生工具缺损的问题。专利文献2中记载的切削工具由于覆膜的硬度不充分，因此存在耐磨损性差的问题。专利文献3中记载的切削工具由于耐缺损性不充分，因此无法满足所要求的性能。
本发明是为了解决这些问题而完成的。本发明的目的在于不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。另外，本发明的目的还在于提供工具寿命长的包覆工具。
用于解决课题的方法
本发明者们对包覆工具的工具寿命的延长进行了反复研究。本发明者们通过对包覆层的构成进行改良，能够不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。其结果，能够延长包覆工具的工具寿命。
即，本发明的主旨如下所述。
(1)一种包覆工具，其包含基材和形成在所述基材表面上的包覆层，
所述包覆层包含第1层叠结构和第2层叠结构，
所述第1层叠结构和所述第2层叠结构连续交替地层叠2次以上，
所述第1层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上，
所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度为60nm以上且500nm以下，
所述第2层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上，
所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度为2nm以上且小于60nm，
所述第1层叠结构及所述第2层叠结构中所含的层包含含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、Sn及Bi中的至少1种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物，
所述第1层叠结构和/或所述第2层叠结构的平均厚度从所述基材侧向着所述包覆层的表面侧连续地或阶段地减小。
(2)根据(1)的包覆工具，其中，所述第1层叠结构的平均厚度为0.2μm以上且6μm以下。
(3)根据(1)或(2)的包覆工具，其中，所述第2层叠结构的平均厚度为0.02μm以上且6μm以下。
(4)根据(1)～(3)中任一项的包覆工具，其中，所述包覆层整体的平均厚度为0.22μm以上且12μm以下。
(5)根据(1)～(4)中任一项的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第1层叠结构的平均厚度记为TA1、将距所述基材最近的所述第1层叠结构的平均厚度记为TB1时，TA1与TB1的比例为5％以上且50％以下。
(6)根据(1)～(5)中任一项的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第2层叠结构的平均厚度记为TA2、将距所述基材最近的所述第2层叠结构的平均厚度记为TB2时，TA2与TB2的比例为5％以上且50％以下。
(7)根据(1)～(6)中任一项的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC1、将距所述基材最近的所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD1时，TC1与TD1的比例为12％以上且70％以下。
(8)根据(1)～(7)中任一项的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC2、将距所述基材最近的所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD2时，TC2与TD2的比例为5％以上且70％以下。
(9)根据(1)～(8)中任一项的包覆工具，其中，所述第1层叠结构中所含的层及所述第2层叠结构中所含的层包含含有选自Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、Sr及Y中的至少2种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。
发明效果
本发明的包覆工具由于耐磨损性及耐缺损性优异，因此发挥与以往相比工具寿命能够延长的效果。
附图说明
图1为本发明的包覆工具的截面组织的示意图的一个例子。
具体实施方式
本发明的包覆工具包含基材和形成在所述基材表面上的包覆层。本发明中的基材只要可作为包覆工具的基材使用即可。本发明中的基材没有特别限定，例如为超硬合金、金属陶瓷、陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、金刚石烧结体、高速钢。其中，优选超硬合金。因为超硬合金的耐磨损性及耐缺损性优异。
本发明的包覆工具中，包覆层整体的平均厚度优选为0.22～12μm。当包覆层的平均厚度小于0.22μm时，有包覆工具的耐磨损性降低的倾向。当包覆层的平均厚度超过12μm时，有包覆工具的耐缺损性降低的倾向。包覆层整体的平均厚度进一步优选为1.0～8.0μm。
本发明的包覆工具中，包覆层包含特定的第1层叠结构及第2层叠结构。第1层叠结构及第2层叠结构中所含的各层包含含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、Sn及Bi中的至少1种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。本发明的包覆工具的耐磨损性优异。
第1层叠结构及第2层叠结构中所含的层进一步优选包含含有选自Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、Sr及Y中的至少2种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。因为这样的化合物具有硬的性质。作为构成第1层叠结构的层中所含的化合物，具体而言，可列举出(Al0.50Ti0.50)N、(Al0.60Ti0.40)N、(Al0.67Ti0.33)N、(Al0.67Ti0.33)CN、(Al0.45Ti0.45Si0.10)N、(Al0.45Ti0.45Y0.10)N、(Al0.50Ti0.30Cr0.20)N、(Al0.50Ti0.45Nb0.05)N、(Al0.50Ti0.45Ta0.05)N、(Al0.50Ti0.45W0.05)N、(Ti0.90Si0.10)N、(Al0.50Cr0.50)N等。
构成第1层叠结构的层中所含的金属元素优选与构成该第1层叠结构的其他层中所含的金属元素相同。也就是说，构成第1层叠结构的多个层优选由同一种金属元素构成。此外，构成第1层叠结构的层中所含的特定金属元素的比例和与该层邻接的构成第1层叠结构的其他层中所含的特定金属元素的比例之差的绝对值优选为5原子％以上。这里所说的“特定金属元素的比例”是指相对于层中所含的金属元素整体的原子数，该层中所含的特定金属元素的原子数的比例(原子％)。
当第1层叠结构为这样的构成时，构成第1层叠结构的某层和与该层邻接的层的密合性不会降低，层与层的界面处晶格变得不整齐。因此，开裂变得易于在与构成第1层叠结构的层和层的界面平行的方向上进展，能够有效地抑制开裂进展至基材。
对于上述“某层中所含的特定金属元素的比例和与该层邻接的其他层中所含的特定金属元素的比例之差的绝对值为5原子％以上”，进一步详细地进行说明。
例如，当第1层叠结构由(Al0.55Ti0.45)N层和(Al0.67Ti0.33)N层构成时，2个层中所含的金属元素的种类相同。其原因在于，2个层均包含Al和Ti。此时，(Al0.55Ti0.45)N层中所含的Al的原子数相对于金属元素整体的原子数为55原子％。(Al0.67Ti0.33)N层中所含的Al的原子数相对于金属元素整体的原子数为67原子％。这二个层中的Al的原子数的比例之差为12原子％。因此，此时满足“差的绝对值为5原子％以上”这样的上述条件。
例如，当第1层叠结构由(Al0.49Ti0.39Cr0.12)N层和(Al0.56Ti0.36Cr0.08)N层构成时，2个层中所含的金属元素的种类相同。其原因在于，2个层均含有Al、Ti和Cr。此时，2个层中所含的Ti的原子数的比例之差为3原子％。2个层中所含的Cr的原子数的比例之差为4原子％。这些值分别小于5原子％。但是，即使在该情况下，由于2个层中所含的Al的原子数的比例之差为7原子％，因此也满足“差的绝对值为5原子％以上”这样的上述条件。
本说明书中，当将氮化物表述为(MaLb)N时，是指相对于金属元素整体，M元素的原子比为a、L元素的原子比为b。例如，(Al0.55Ti0.45)N表示相对于金属元素整体，Al元素的原子比为0.55；相对于金属元素整体，Ti元素的原子比为0.45。即，(Al0.55Ti0.45)N表示相对于金属元素整体的Al元素的量为55原子％；相对于金属元素整体，Ti元素的量为45原子％。
构成第2层叠结构的层中所含的金属元素优选与构成该第2层叠结构的其他层中所含的金属元素相同。也就是说，构成第2层叠结构的多个层优选由同一种金属元素构成。此外，构成第2层叠结构的层中所含的特定金属元素的比例和与该层邻接的构成第2层叠结构的其他层中所含的特定金属元素的比例之差的绝对值优选为5原子％以上。这里所说的“特定金属元素的比例”是指相对于层中所含的金属元素整体的原子数，该层中所含的特定金属元素的原子数的比例(原子％)。
当第2层叠结构为这样的构成时，构成第2层叠结构的某层与和该层邻接的层的密合性不会降低，在层与层的界面处晶格变得不整齐。因此，开裂易于在与构成第2层叠结构的层和层的界面平行的方向上进展，能够有效地抑制开裂进展至基材。上述“某层中所含的特定金属元素的比例和与该层邻接的其他层中所含的特定金属元素的比例之差的绝对值为5原子％以上”的含义与上述对于第1层叠结构说明过的相同。
作为本发明的包覆工具的另一方式，构成第1层叠结构的层中所含的金属元素和与该层邻接的构成第1层叠结构的其他层中所含的金属元素优选有1种以上不同。当金属元素有1种以上不同时，在层与层的界面处晶格变得不整齐、开裂易于在与层和层的界面平行的方向上进展，因此能够有效地抑制开裂进展至基材。
例如，当第1层叠结构由(Al0.50Ti0.50)N层和(Al0.50Ti0.30Cr0.20)N层构成时，将2个层中所含的金属元素进行比较，满足该条件。其原因在于，2个层虽然含有Al和Ti，但Cr仅含有在一个层中。
例如，当第1层叠结构由(Al0.50Cr0.50)N层和(Al0.67Ti0.33)N层构成时，将2个层中所含的金属元素进行比较，也满足该条件。其原因在于，2个层虽然含有Al，但Cr及Ti仅含有在一个层中。
同样地，本发明的包覆工具中，构成第2层叠结构的层中所含的金属元素和与该层邻接的构成第2层叠结构的其他层中所含的金属元素优选有1种以上不同。当金属元素有1种以上不同时，在层与层的界面处晶格变得不整齐，开裂易于在与层和层的界面平行的方向上进展，因此能够有效地抑制开裂进展至基材。
本发明的包覆工具包含包覆层。包覆层包含第1层叠结构。第1层叠结构包含由上述化合物形成的2个以上的层。第1层叠结构中所含的各层的平均厚度为60nm以上且500nm以下。第1层叠结构中所含的2个以上的层周期性地层叠。该周期性的层叠结构包含组成不同的至少2种层。这些2种层优选交替地层叠2次以上。当组成不同的2种层交替地层叠2次以上时，由于开裂的进展得到抑制，因此包覆工具的耐缺损性进一步提高。
本发明中，将层的层叠重复的最小单元的厚度称为“层叠周期”。
图1为本发明的包覆工具的截面组织的示意图的一个例子。以下，参照图1对层叠周期进行说明。
例如，将组成不同的A1层、B1层、C1层及D1层从基材(1)向着包覆层(2)的表面地重复层叠。具体而言，将这些层按照A1层→B1层→C1层→D1层→A1层→B1层→C1层→D1层→……的顺序层叠。此时，从A1层至D1层的厚度的合计为“层叠周期”。
例如，将组成不同的A1层和B1层从基材(1)向着包覆层(2)的表面地重复层叠。具体而言，将这些层按照A1层→B1层→A1层→B1层→A1层→B1层→……的顺序层叠。此时，A1层厚度与B1层厚度的合计为“层叠周期”。
为了形成第1层叠结构，将组成不同的至少2种层周期性地层叠。各层的平均厚度为60nm以上且500nm以下。通过第1层叠结构如此地形成，获得了以下效果。
包覆工具的使用中在包覆层的表面发生的开裂到达第1层叠结构。到达第1层叠结构的开裂在与组成不同的层和层的界面平行的方向上进展。由此，获得了防止开裂进展至基材的效果。这样的效果通过将组成不同的2个层交替地层叠2次以上而进一步提高。具体而言，将组成不同的A1层和B1层优选从基材向着包覆层的表面地交替地层叠2次以上。也就是说，第1层叠结构优选包含A1层→B1层→A1层→B1层→……这样的交替层叠结构。
第1层叠结构中所含的各层的平均厚度小于60nm时，无法充分地防止开裂进展至基材。另一方面，各层的平均厚度超过500nm时，包覆工具的耐缺损性降低。因此，第1层叠结构中所含的各层的平均厚度为60nm以上且500nm以下。第1层叠结构中所含的各层的平均厚度优选为60nm以上且250nm以下。
当第1层叠结构的平均厚度小于0.2μm时，将组成不同的层周期性地层叠的次数(重复数)变少。此时，抑制开裂进展至基材的效果降低。另一方面，当第1层叠结构的平均厚度超过6μm时，包覆层整体的残留压缩应力提高。其结果，包覆层的剥离、缺损变得易于发生，因此包覆工具的耐缺损性降低。因此，第1层叠结构的平均厚度优选为0.2～6μm。
本发明的包覆工具包含包覆层。包覆层包含第2层叠结构。第2层叠结构包含由上述化合物形成的2个以上的层。第2层叠结构中所含的各层的平均厚度为2nm以上且小于60nm。第2层叠结构中所含的2个以上的层周期性地层叠。该周期性的层叠结构包含组成不同的至少2种层。这些2种层优选交替地层叠2次以上。当组成不同的2种层交替地层叠2次以上时，第2层叠结构的硬度提高，因此包覆工具的耐磨损性进一步提高。
第2层叠结构中，也将层的层叠重复的最小单元的厚度称为“层叠周期”。
例如图1中，将组成不同的A2层、B2层、C2层、D2层从基材(1)向着包覆层(2)的表面地重复层叠。具体而言，将这些层按照A2层→B2层→C2层→D2层→A2层→B2层→C2层→D2层→……的顺序层叠。此时，从A2层至D2层的厚度的合计为“层叠周期”。
例如，将组成不同的A2层和B2层从基材(1)向着包覆层(2)的表面地重复层叠。具体而言，将这些层按照A2层→B2层→A2层→B2层→A2层→B2层→……的顺序层叠。此时，A2层厚度和B2层厚度的合计为“层叠周期”。
为了形成第2层叠结构，将组成不同的至少2种层周期性地层叠。各层的平均厚度为2nm以上且小于60nm。通过第2层叠结构如此地形成，第2层叠结构的硬度提高，获得了包覆工具的耐磨损性提高的效果。这样的效果通过将组成不同的2个层交替地层叠2次以上而进一步提高。具体而言，优选将组成不同的A2层和B2层从基材向着包覆层的表面地交替地层叠2次以上。也就是说，第2层叠结构优选包含A2层→B2层→A2层→B2层→……这样的交替层叠结构。
当第2层叠结构中所含的各层的平均厚度小于2nm时，难以形成均一厚度的层。当第2层叠结构中所含的各层的平均厚度为60nm以上时，第2层叠结构的硬度降低，因此包覆工具的耐磨损性降低。此外，此时第2层叠结构厚度和第1层叠结构厚度之差变小。其结果，无法充分得到通过开裂在与第1层叠结构和第2层叠结构的界面平行的方向上进展而抑制开裂进展至基材的效果。因此，第2层叠结构中所含的各层的平均厚度为2nm以上且小于60nm。第2层叠结构中所含的各层的平均厚度优选为5nm以上且30nm以下。
当第2层叠结构的平均厚度小于0.02μm时，将组成不同的层周期性地层叠的次数(重复数)变少。此时，无法获得第2层叠结构的硬度提高这样的效果。另一方面，当第2层叠结构的平均厚度超过6μm时，第2层叠结构的残留压缩应力提高。其结果，由于包覆层的剥离、缺损易于发生，因此包覆工具的耐缺损性降低。因此，第2层叠结构的平均厚度优选为0.02～6μm。
本发明的包覆工具包含包覆层。包覆层包含耐缺损性优异的第1层叠结构和耐磨损性优异的第2层叠结构。由此，本发明的包覆工具的耐缺损性及耐磨损性优异。包覆层可以含有上部层。上部层为位于比第1层叠结构及第2层叠结构更靠包覆层的表面侧的层。包覆层的表面侧是指与包覆层的基材相对的一侧。另外，包覆层还可以包含下部层。下部层是比第1层叠结构及第2层叠结构更靠基材侧的层。
上部层及下部层的构成没有特别的限定。上部层及下部层优选含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、Sn及Bi中的至少1种金属元素。另外，上部层及下部层优选包含含有选自这些金属元素中的至少1种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。上部层及下部层的构成优选为单层或非周期的多层。上部层及下部层具有这样的构成时，上部层及下部层的耐磨损性提高。
第1层叠结构和第2层叠结构优选连续交替地层叠2个以上。当第1层叠结构和第2层叠结构交替地层叠时，开裂变得易于在与第1层叠结构和第2层叠结构的界面平行的方向上进展。其结果，抑制了开裂进展至基材，因此包覆工具的耐缺损性提高。
第1层叠结构和第2层叠结构的位置关系没有特别限定。第1层叠结构和第2层叠结构的位置关系例如为以下(1)～(4)中的任一种。
(1)第1层叠结构距基材最近、第2层叠结构距包覆层的表面最近。
(2)第2层叠结构距基材最近、第1层叠结构距包覆层的表面最近。
(3)第1层叠结构距基材最近且距包覆层的表面最近。
(4)第2层叠结构距基材最近且距包覆层的表面最近。
上述(1)～(4)中，“包覆层的表面”是指与包覆层的基材相对一侧的表面。
上述位置关系中，优选(1)。当第1层叠结构和第2层叠结构的位置关系为上述(1)时，与第2层叠结构的残留压缩应力相比第1层叠结构的残留压缩应力变得更低，因此有包覆层的耐剥离性提高的倾向。
第1层叠结构和/或第2层叠结构的平均厚度从基材侧向着包覆层的表面侧连续地或阶段地减小。因为能够不降低包覆层的耐磨损性地提高耐缺损性。
包覆层的表面侧中，由于第1层叠结构和/或第2层叠结构的平均厚度减小，第1层叠结构和第2层叠结构的界面的间隔缩短。当第1层叠结构和第2层叠结构的界面的间隔缩短时，开裂易于在于第1层叠结构和第2层叠结构的界面平行的方向上进展。其结果，获得了抑制开裂进展至基材的效果，同时耐缺损性提高。因此，当第1层叠结构及第2层叠结构中的任一个的平均厚度变薄时，耐缺损性提高。当第1层叠结构及第2层叠结构两者的平均厚度变薄时，耐缺损性进一步提高。
本发明中，“连续地减小”是指例如从基材侧向着表面侧地第1层叠结构和/或第2层叠结构的厚度按照比例关系等某种规律性减小。但是，“连续地减小”并不限定于第1层叠结构和/或第2层叠结构的厚度按照比例关系地减小的情况。例如，“连续地减小”还包括第1层叠结构和/或第2层叠结构的厚度按照反比例的关系或指数关系减小的情况。另外，“连续地减小”还包括厚度有从基材侧向着表面侧地减小的倾向的情况。因为即使为该情况，也可获得本发明的效果。例如，包覆层的一部分的厚度从基材侧向着表面侧地稍稍增加的情况也包含在本发明的权利范围中。
本发明中，“阶段地减小”是指第1层叠结构和/或第2层叠结构的厚度从基材侧向着表面侧地不规律地减小。例如，“阶段地减小”还包括仅最表面的第1层叠结构和/或第2层叠结构的厚度减小的情况。另外，“阶段地减小”还包括厚度有从基材侧向着表面侧地减小的倾向的情况。因为即使为该情况，也可获得本发明的效果。例如，包覆层的一部分的厚度从基材侧向着表面侧地稍稍增加的情况也包含在本发明的权利范围中。
当将距包覆层的表面最近的第1层叠结构的平均厚度记为TA1、将距基材最近的第1层叠结构的平均厚度记为TB1时，TA1与TB1的比例((TA1/TB1)×100)优选为5％以上且50％以下、更优选为5％以上且30％以下。当TA1与TB1的比例小于5％时，有抑制开裂进展至基材的效果降低的情况。另一方面，当TA1与TB1的比例超过50％时，有抑制开裂进展至基材的效果降低的情况。
当将距包覆层的表面最近的第2层叠结构的平均厚度记为TA2、将距基材最近的第2层叠结构的平均厚度记为TB2时，TA2与TB2的比例((TA2/TB2)×100)优选为5％以上且50％以下、进一步优选为5％以上且30％以下。当TA2与TB2的比例小于5％时，有抑制开裂进展至基材的效果降低的情况。此外，还有耐磨损性降低的情况。另一方面，当TA2与TB2的比例超过50％时，有抑制开裂进展至基材的效果降低的情况。
构成第1层叠结构及第2层叠结构的各层的平均厚度优选从基材侧向着包覆层的表面侧连续地或断续地减小。因为耐磨损性的降低得到抑制、耐缺损性提高。
本发明中，“连续地减小”是指例如构成第1层叠结构和/或第2层叠结构的各层的平均厚度从基材侧向着表面侧地按照比例关系等某种规律性减小。但是，“连续地减小”并不限定于构成第1层叠结构和/或第2层叠结构的各层的平均厚度按照比例关系减小的情况。例如，“连续地减小”还包括各层的厚度按照反比例的关系或指数关系减小的情况。另外，“连续地减小”还包括厚度有从基材侧向着表面侧地减小的倾向的情况。因为即使为该情况，也可获得本发明的效果。例如，包覆层的一部分的厚度从基材侧向着表面侧地稍稍增加的情况也包含在本发明的权利范围中。
本发明中，“阶段地减小”是指例如构成第1层叠结构和/或第2层叠结构的各层的平均厚度从基材侧向着表面侧地不规律地减小。例如，“阶段地减小”还包括仅最表面的构成第1层叠结构和/或第2层叠结构的各层的平均厚度减小的情况。另外，“阶段地减小”还包括厚度有从基材侧向着表面侧地减小的倾向的情况。因为即使为该情况，也可获得本发明的效果。例如，包覆层的一部分的厚度从基材侧向着表面侧地稍稍增加的情况也包含在本发明的权利范围中。
当将距包覆层的表面最近的第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC1、将距基材最近的第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD1时，TC1与TD1的比例((TC1/TD1)×100)优选为12％以上且70％以下、进一步优选为30％以上且60％以下。当TC1与TD1的比例小于12％时，有包覆层的表面侧的硬度提高、耐缺损性降低的倾向。另一方面，当TC1与TD1的比例超过70％时，有包覆层的表面侧的耐磨损性降低的倾向。
其中，“第1层叠结构中所含的层的平均厚度”为如下求出的值。
例如，当按照A1层→B1层→A1层→B1层→A1层→B1层→……的方式将A1层及B1层以该顺序重复层叠100次时，求出重复100次的层叠周期的合计。接着，求出将层叠周期的合计除以重复次数即100而得到的值。该值为“第1层叠结构中所含的层的平均厚度”。也就是说，第1层叠结构为“A1层→B1层→A1层→B1层→A1层→B1层→……”时，“A1层→B1层”的平均厚度为“第1层叠结构中所含的层的平均厚度”。
当将距包覆层的表面最近的第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC2、将距基材最近的第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD2时，TC2与TD2的比例((TC2/TD2)×100)优选为5％以上且70％以下、进一步优选为30％以上且60％以下。当TC2与TD2的比例小于5％时，有包覆层的表面侧的硬度提高、耐缺损性降低的倾向。另一方面，当TC2与TD2的比例超过70％时，有包覆层的表面侧的耐磨损性降低的倾向。
其中，“第2层叠结构中所含的层的平均厚度”时如下求出的值。
例如，当按照A2层→B2层→A2层→B2层→A2层→B2层→……的方式将A2层及B2层以该顺序重复层叠100次时，求出重复100次的层叠周期的合计。接着，求出将层叠周期的合计除以重复次数即100而得到的值。该值为“第2层叠结构中所含的层的平均厚度”。也就是说，当第2层叠结构为“A2层→B2层→A2层→B2层→A2层→B2层→……”时，“A2层→B2层”的平均厚度为“第2层叠结构中所含的层的平均厚度”。
本发明的包覆工具中的包覆层的制造方法没有特别的限定。例如，包覆层可通过离子镀法、电弧离子镀法、溅射法、离子混合法等物理蒸镀法来制造。例如，通过物理蒸镀法，能够在基材上形成上文中说明过的第1层叠结构及第2层叠结构。特别是，通过电弧离子镀法形成的包覆层与基材的密合性高。因此，其中优选电弧离子镀法。
可以通过以往的包覆方法在基材表面上形成各层。由此，能够制造本发明的包覆工具。
本发明的包覆工具的制造方法例如如下所述。
将加工成工具形状的基材放入物理蒸镀装置的反应容器内。接着，将反应容器内抽真空至压力达到1×10-2Pa以下。抽真空后，用反应容器内的加热器将基材加热至200～800℃。加热后，向反应容器内导入Ar气，使压力为0.5～5.0Pa。用压力为0.5～5.0Pa的Ar气气氛对基材施加-200～-1000V的偏电压。使5～20A的电流流过反应容器内的钨丝。对基材表面进行利用Ar气的离子轰击处理。在对基材表面进行离子轰击处理后，将反应容器内抽真空至压力达到1×10-2Pa以下。
然后，将氮气等反应气导入反应容器内。使反应容器内的压力为0.5～5.0Pa、向基材施加-10～-150V的偏电压。通过利用电弧放电使与各层的金属成分相应的金属蒸发源蒸发，能够在基材表面上形成各层。其中，利用电弧放电使置于分开的位置的2种以上的金属蒸发源同时蒸发，使固定有基材的工作台旋转，能够形成构成第1层叠结构或第2层叠结构的层。此时，通过调整反应容器内的固定有基材的工作台的转速，能够控制构成第1层叠结构或第2层叠结构的各层厚度。通过利用电弧放电使2种以上的金属蒸发源交替地蒸发，还能够形成构成第1层叠结构或第2层叠结构的层。此时，通过分别调整金属蒸发源的电弧放电时间，能够控制构成第1层叠结构或第2层叠结构的各层厚度。
构成包覆层的各层的厚度及各层叠结构的厚度可通过观察包覆工具的截面组织来测定。例如，构成包覆层的各层的厚度及各层叠结构的厚度可使用光学显微镜、扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等来测定。
构成包覆层的各层的平均厚度及各层叠结构的平均厚度可如下地求出。
在从与金属蒸发源相对的面的刀尖向着该面的中心部的50μm的位置附近，观察3处以上包覆工具的截面。由该观察的截面测定各层的厚度及各层叠结构的厚度。通过计算所测定的厚度的平均值，可以求出平均厚度。
本发明的包覆工具的各层组成可以由包覆工具的截面组织使用能量分散型X射线分析装置(EDS)或波长分散型X射线分析装置(WDS)等来测定。
作为本发明的包覆工具的种类，具体而言，可列举出铣削加工用或旋削加工用的工具。作为这样的工具的例子，可列举出刀尖交换型切削刀片、钻子、立铣刀。
实施例1
作为基材，准备ISO标准SEEN1203AGTN刀片形状的相当于P10的超硬合金。在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表1及表2所示的各层的组成的金属蒸发源。将准备的基材固定在反应容器内的旋转工作台的固定金属零件上。
其后，将反应容器内抽真空至压力达到5.0×10-3Pa以下。抽真空后，用反应容器内的加热器将基材加热至其温度达到500℃。加热后，按照反应容器内的压力达到5.0Pa的方式，向反应容器内导入Ar气。
用压力为5.0Pa的Ar气气氛向基材施加-1000V的偏电压。使10A的电流流过反应容器内的钨丝。在这样的条件下，对基材表面进行利用Ar气的离子轰击处理30分钟。离子轰击处理结束后，对反应容器内抽真空至反应容器内的压力达到5.0×10-3Pa以下。
抽真空后，将氮气导入反应容器内，使反应容器内成为压力为2.7Pa的氮气气氛。对基材施加-50V的偏电压。通过利用电弧电流为200A的电弧放电使金属蒸发源蒸发，形成各层。
在形成发明品1～9及比较品1、2的A1层和B1层时，利用电弧放电使A1层的金属蒸发源和B1层的金属蒸发源交替地蒸发，形成A1层和B1层。此时，调整各自的电弧放电时间以使A1层和B1层达到表3所示的厚度。在层厚度大的比较品3中，也同样地利用电弧放电使X层的金属蒸发源和Y层的金属蒸发源交替地蒸发，形成X层和Y层。此时，通过调整形成各层时的电弧放电时间来控制X层厚度和Y层厚度。
在形成发明品1～9及比较品1、2的A2层和B2层时，利用电弧放电使A2层的金属蒸发源和B2层的金属蒸发源同时蒸发，形成A2层和B2层。此时，在0.2～10min-1的范围内对工作台的转速进行调整以使A2层和B2层达到表3所示的厚度。在层厚度小的比较品4中，也同样地利用电弧放电使X层的金属蒸发源和Y层的金属蒸发源同时蒸发，形成X层和Y层。此时，通过在0.2～10min-1的范围内调整工作台的转速来控制X层厚度和Y层厚度。
比较品5由交替地层叠的厚度小的层和厚度大的层构成。通过调整电弧放电时间和工作台的转速来控制构成比较品5的层的厚度。在0.2～10min-1的范围内对工作台的转速进行调整。
通过对基材施加-50V的偏电压、利用电弧电流为200A的电弧放电使金属蒸发源蒸发来形成比较品6的单层。
在基材表面上形成各层直至达到表3及表4所示的规定厚度。其后，切断加热器的电源，在试样温度达到100℃以下后，从反应容器内将试样取出。
表1
表2
表3
表5
得到的试样各层的平均厚度及各层叠结构的平均厚度如下求出。
在从与包覆工具的金属蒸发源相对的面的刀尖向着该面的中心部的50μm的位置附近，用TEM观察3处截面。测定各层的厚度及各层叠结构的厚度，计算所测定的厚度的平均值。
得到的试样各层的组成如下求出。
在从与包覆工具的金属蒸发源相对的面的刀尖向着该面的中心部的50μm的位置的截面中，用EDS测定组成。
这些测定结果也示于表1～4。
其中，表1～4的各层的金属元素的组成比表示构成各层的金属化合物中各金属元素相对于金属元素整体的原子比。
由表4所示的第1层叠结构的平均厚度求出距包覆层的表面最近的第1层叠结构的平均厚度与距基材最近的第1层叠结构的平均厚度的比例。同样地，由表4所示的第2层叠结构的平均厚度求出距包覆层的表面最近的第2层叠结构的平均厚度与距基材最近的第2层叠结构的平均厚度的比例。将这些结果示于表5。
使用得到的试样进行以下的切削试验1及切削试验2，对耐缺损性及耐磨损性进行评价。将其评价结果示于表6。
[切削试验1：耐缺损性评价]
被削材料：SCM440、
被削材料形状：105mm×220mm×60mm的立方体(其中，在进行正面铣削加工的立方体的105mm×220mm的面上开6个直径φ为40mm的孔。)
切削速度：260m/分钟、
进给：0.4mm/齿、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：105mm、
冷却液：无、
切割刀有效直径：φ125mm、
评价项目：将至试样发生缺损(试样的切割刃部发生缺损)时作为工具寿命。测定至试样发生缺损时的加工长度。
[切削试验2：耐磨损性评价]
被削材料：SCM440、
被削材料形状：105mm×220mm×60mm的立方体、
切削速度：260m/分钟、
进给：0.12mm/齿、
进刀量：2.0mm、
切削宽度：50mm、
冷却液：无、
切割刀有效直径：φ100mm、
评价项目：将至最大后面磨损宽度达到0.2mm时作为工具寿命。测定至最大后面磨损宽度达到0.2mm时的加工长度。
至切削试验1达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
11m以上：◎
10.5m以上且小于11：○
10m以上且小于10.5m：△
小于10m：×
至达到切削试验2的工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
5m以上：◎
4.5m以上且小于5m：○
4m以上且小于4.5m：△
小于4m：×
该评价的顺位为(优)◎>○>△>×(劣)。◎或○的评价是指切削性能优异。将得到的综合评价的结果示于表6。
表6
根据表6的结果，发明品的耐磨损性试验的结果为△以上。发明品的耐磨损性试验的结果在不具有×这点上为比较品的同等以上。另外，所有的发明品的耐缺损性试验的结果为◎或○。比较品的耐缺损性试验的结果为△或×。根据该结果可知，发明品与比较品相比耐缺损性更为优异。根据该结果可知，发明品的工具寿命延长。如从该结果所知的，通过本发明，可以不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。
实施例2
作为基材，准备ISO标准SEEN1203AGTN刀片形状的相当于P10的超硬合金。在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表7所示的各层的组成的金属蒸发源。通过与实施例1同样的制造方法，制作表8及9所示的层构成的试样。
如下制作发明品10和比较品10。
在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表7所示的各层的组成的金属蒸发源。向反应容器内导入N2气和CH4气的混合气。混合气中的N2气与CH4气的分压比为N2：CH4＝1：1。反应容器内的压力为2.7Pa。除了如此设定反应容器内的气氛以外，与实施例1同样地形成各层，制作表8及9所示的层构成的试样。
如下制作发明品18。
在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表7所示的各层的组成的金属蒸发源。在形成氧化物层时，向反应容器内导入O2气，将反应容器内的压力控制为2.7Pa。其后，在形成氮化物层时，从反应容器内排出O2气，向反应容器内导入N2气，将反应容器内的压力控制为2.7Pa。除了如此设定反应容器内的气氛以外，与实施例1同样地制作表8及9所示的层构成的试样。
表8
表10
与实施例1同样地测定得到的试样的各层的平均厚度及各层的组成。将这些结果示于表8～10。另外，使用得到的试样进行与实施例1相同的切削试验1及切削试验2，评价耐磨损性及耐缺损性。将其评价结果示于表11。
至切削试验1达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
11m以上：◎
10.5m以上且小于11：○
10m以上且小于10.5m：△
小于10m：×
至切削试验2达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
5m以上：◎
4.5m以上且小于5m：○
4m以上且小于4.5m：△
小于4m：×
该评价的顺位为(优)◎>○>△>×(劣)。◎或○的评价是指切削性能优异。将得到的综合评价的结果示于表11。
表11
根据表11的结果，发明品的耐磨损性试验的结果为△以上。发明品的耐磨损性试验的结果在不具有×这点上为比较品的同等以上。另外，所有的发明品的耐缺损性试验的结果为◎或○。比较品的耐缺损性试验的结果为△或×。根据该结果可知，发明品与比较品相比耐缺损性更为优异。根据该结果可知，发明品的工具寿命延长。如从该结果所知的，通过本发明，可以不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。
实施例3
如下制作发明品21～27及比较品11～13。
作为基材，准备ISO标准SEEN1203AGTN刀片形状的相当于P10的超硬合金。在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表12及表13所示的各层的组成的金属蒸发源。通过与实施例1同样的制造方法，制作表13、14及16所示的层构成的试样
表15
表17
与实施例1同样地测定得到的试样的各层的平均厚度及各层的组成。将这些结果示于表12～17。另外，使用得到的试样进行与实施例1相同的切削试验1及切削试验2，评价耐磨损性及耐缺损性。将其评价结果示于表18。
至切削试验1达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
11m以上：◎
10.5m以上且小于11：○
10m以上且小于10.5m：△
小于10m：×
至切削试验2达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
5m以上：◎
4.5m以上且小于5m：○
4m以上且小于4.5m：△
小于4m：×
该评价的顺位为(优)◎>○>△>×(劣)。◎或○的评价是指切削性能优异。将得到的综合评价的结果示于表18。
表18
根据表18的结果，发明品的耐磨损性试验的结果为△。发明品的耐磨损性试验的结果在不具有×这点上为比较品的同等以上。另外，所有的发明品的耐缺损性试验的结果为◎。比较品的耐缺损性试验的结果为△。根据该结果可知，发明品与比较品相比耐缺损性更为优异。根据该结果可知，发明品的工具寿命延长。如从该结果所知的，通过本发明，可以不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。
实施例4
如下制作发明品28～30。
作为基材，准备ISO标准SEEN1203AGTN刀片形状的相当于P10的超硬合金。在电弧离子镀装置的反应容器内配置符合表19所示的各层的组成的金属蒸发源。通过与实施例1同样的制造方法，制作表20及表21所示的层构成的试样。
表20
表22
与实施例1同样地测定得到的试样的各层的平均厚度及各层的组成。将这些结果示于表19～22。另外，使用得到的试样进行与实施例1相同的切削试验1及切削试验2，评价耐磨损性及耐缺损性。将其评价结果示于表23。
至切削试验1达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
11m以上：◎
10.5m以上且小于11：○
10m以上且小于10.5m：△
小于10m：×
至切削试验2达到工具寿命时的加工长度的评价基准如下所述。
5m以上：◎
4.5m以上且小于5m：○
4m以上且小于4.5m：△
小于4m：×
该评价的顺位为(优)◎>○>△>×(劣)。◎或○的评价是指切削性能优异。将得到的综合评价的结果示于表23。
表23
根据表23的结果，发明品的耐磨损性试验的结果为△。发明品的耐磨损性试验的结果中没有×。另外，所有的发明品的耐缺损性试验的结果为◎。根据该结果可知，发明品的耐缺损性优异。根据该结果可知，发明品尽管具有下部层和/或上部层，工具寿命也延长。如从该结果所知的，通过本发明，可以不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。
产业上的可利用性
通过本发明，可以不降低包覆工具的耐磨损性地提高耐缺损性。根据本发明，能够与以往相比延长工具寿命。因此，本发明的产业上的可利用性高。
[符号说明]
1 基材
2 包覆层
3a 基材侧的厚度大的第1层叠结构
3b 表面侧的厚度小的第1层叠结构
4a 基材侧的厚度大的第2层叠结构
4b 表面侧的厚度小的第2层叠结构
5a 基材侧的厚度大的A1层
5b 表面侧的厚度小的A1层
6a 基材侧的厚度大的B1层
6b 表面侧的厚度小的B1层
7a 基材侧的厚度大的A2层
7b 表面侧的厚度小的A2层
8a 基材侧的厚度大的B2层
8b 表面侧的厚度小的B2层

Claims (9)

1.一种包覆工具，其包含基材和形成在所述基材表面上的包覆层，
所述包覆层包含第1层叠结构和第2层叠结构，
所述第1层叠结构和所述第2层叠结构连续交替地层叠2次以上，
所述第1层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上，
所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度为60nm以上且500nm以下，
所述第2层叠结构包含组成不同的至少2种层，所述2种层交替地层叠2次以上，
所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度为2nm以上且小于60nm，
所述第1层叠结构及所述第2层叠结构中所含的层包含含有选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、Sn及Bi中的至少1种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物，
所述第1层叠结构和/或所述第2层叠结构的平均厚度从所述基材侧向着所述包覆层的表面侧连续地或阶段地减小。
2.根据权利要求1所述的包覆工具，其中，所述第1层叠结构的平均厚度为0.2μm以上且6μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的包覆工具，其中，所述第2层叠结构的平均厚度为0.02μm以上且6μm以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的包覆工具，其中，所述包覆层整体的平均厚度为0.22μm以上且12μm以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第1层叠结构的平均厚度记为TA1、将距所述基材最近的所述第1层叠结构的平均厚度记为TB1时，TA1与TB1的比例为5％以上且50％以下。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第2层叠结构的平均厚度记为TA2、将距所述基材最近的所述第2层叠结构的平均厚度记为TB2时，TA2与TB2的比例为5％以上且50％以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC1、距所述基材最近的所述第1层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD1时，TC1与TD1的比例为12％以上且70％以下。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的包覆工具，其中，当将距所述包覆层的表面最近的所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TC2、将距所述基材最近的所述第2层叠结构中所含的层的平均厚度记为TD2时，TC2与TD2的比例为5％以上且70％以下。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的包覆工具，其中，所述第1层叠结构中所含的层及所述第2层叠结构中所含的层包含含有选自Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、Sr及Y中的至少2种金属元素和选自碳、氮、氧及硼中的至少1种非金属元素的化合物。
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