CN106457413B - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 - Google Patents

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种硬质包覆层具备优异的硬度及韧性且在长期使用中发挥耐崩刀性、耐缺损性的包覆工具。一种表面包覆切削工具，在工具基体的表面包覆形成有(Ti1‑xAlx)(CyN1‑y)层，其中，Al的平均含有比例Xavg及C的平均含有比例Yavg满足0.60≤Xavg≤0.95，0≤Yavg≤0.005，该层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒具有{111}取向，并具有该具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的平均粒子宽度W为0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织，并且，在具有该NaCl型面心立方结构的各晶粒内存在组成式(Ti1‑xAlx)(CyN1‑y)中的Ti和Al的周期性组成变化，周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx为0.03～0.25。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种在伴随合金钢等的高热产生且冲击性负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中，通过硬质包覆层具备优异的耐崩刀性而在长期使用中发挥优异的切削性能的表面包覆切削工具(以下称作包覆工具)。
背景技术
以往，已知有如下包覆工具：通常在由碳化钨(以下由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下由TiCN表示)基金属陶瓷或立方晶氮化硼(以下由cBN表示)基超高压烧结体构成的工具基体(以下，将这些统称为工具基体)的表面，通过物理蒸镀法包覆形成Ti-Al系复合氮化物层而作为硬质包覆层，并且已知这些包覆工具发挥优异的耐磨性。
但是，所述以往的包覆形成有Ti-Al系复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨性比较优异，但是当在高速断续切削条件下使用时容易产生崩刀等异常损耗，因此关于改善硬质包覆层提出了各种方案。
例如，在专利文献1中公开有如下内容：在工具基体表面形成由Cr、Ti、Al、V的氮化物中的至少两种金属氮化物构成的复合硬质被膜，且将关于该硬质被膜通过X射线衍射求出的(111)面及(200)面的X射线衍射峰值的强度I(111)和I(200)的强度比I(111)/I(200)设为3～6的值，从而获得耐磨性、耐烧粘性及抗氧化性优异、磨擦系数较低且滑动特性较高的被膜。
例如，在专利文献2中记载有如下内容：在TiCl4、AlCl3、NH3的混合反应气体中，在650～900℃的温度范围内进行化学蒸镀，从而能够蒸镀形成Al的含有比例x的值为0.65～0.95的(Ti1-xAlx)N层，但该文献中的目的在于通过在该(Ti1-xAlx)N层上进一步包覆Al2O3层，从而提高隔热效果，因此关于形成将Al的含有比例x的值提高至0.65～0.95的(Ti1- xAlx)N层对切削性能带来什么样的影响并不明确。
并且，例如在专利文献3中提出如下方案：将TiCN层、Al2O3层作为内层，在其上通过化学蒸镀法包覆立方晶结构或包含六方晶结构的立方晶结构的(Ti1-xAlx)N层(其中，以原子比计x为0.65～0.90)作为外层，并且通过对该外层施加100～1100MPa的压缩应力来改善包覆工具的耐热性和疲劳强度。
专利文献1：日本专利公开2000-144376号公报
专利文献2：日本专利公表2011-516722号公报
专利文献3：日本专利公表2011-513594号公报
近年来，随着对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求增加，切削加工有进一步高速化、高效率化的趋势，进一步对包覆工具要求耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性等耐异常损伤性，并且要求在长期使用中发挥优异的耐磨性。
但是，所述专利文献1中记载的包覆工具中，由于通过物理蒸镀法蒸镀形成硬质被膜，例如很难提高硬质被膜中的Al的含有比例，因此当供合金钢的高速断续切削加工等时存在不能说耐磨性、耐崩刀性充分的问题。
另一方面，关于通过所述专利文献2中记载的化学蒸镀法蒸镀形成的(Ti1-xAlx)N层，由于能够提高Al的含有比例x，并且能够形成立方晶结构，因此可获得具有规定的硬度且耐磨性优异的硬质包覆层，但存在与工具基体的粘附强度不充分且韧性差的问题。
另外，所述专利文献3中记载的包覆工具具有规定的硬度且优异的耐磨性，但韧性差，因此在供合金钢的高速断续切削加工等时，容易产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，存在不能说发挥令人满意的切削性能的问题。
发明内容
于是，本发明要解决的技术课题即本发明的目的在于提供一种即使在供合金钢等的高速断续切削等时，也具备优异的韧性，且在长期使用中发挥优异的耐崩刀性、耐磨性的包覆工具。
于是，本发明人等从所述观点出发，为了改善通过化学蒸镀来蒸镀形成至少包含Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物(以下，有时由“(Ti,Al)(C,N)”或“(Ti1-xAlx)(CyN1-y)”表示)层的硬质包覆层的包覆工具的耐崩刀性、耐磨性，经过重复进行深入的研究，结果得出如下见解。
即，以往的至少包含一层(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层且具有规定的平均层厚的硬质包覆层中，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层在垂直于工具基体的方向上呈柱状形成的情况下具有较高的耐磨性。相反，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的各向异性越高，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的韧性越降低，其结果，耐崩刀性、耐缺损性降低，且在长期使用中无法发挥充分的耐磨性，并且不能说工具寿命也令人满意。
于是，本发明人等对构成硬质包覆层的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层进行深入研究的结果，通过在(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒内形成Ti和Al的周期性组成变化这一全新的构思，成功地在具有NaCl型面心立方结构的晶粒内产生应变，并提高硬度和韧性这两者，其结果，得出可提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性的全新的见解。
具体而言，在硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，且由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的情况下，Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg≤0.95，0≤Yavg≤0.005，在复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相，且关于该层，使用电子背散射衍射装置从该层的纵剖面方向进行分析的情况下，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中，将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，在0～10度范围内的倾斜角分区中存在最高峰值，并且在所述0～10度范围内存在的度数的合计示出在所述倾斜角度数分布中的所有度数的45％以上的比例，并且，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的平均粒子宽度W为0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织，另外，沿复合氮化物或复合碳氮化物的层的工具基体表面的法线方向，在所述具有NaCl型面心立方结构的各晶粒内存在组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)中的Ti和Al的周期性组成变化，周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx为0.03～0.25，因此在具有NaCl型面心立方结构的晶粒内产生应变，与以往的硬质包覆层相比，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的硬度和韧性提高，其结果发现耐崩刀性、耐缺损性提高，且长时间发挥优异的耐磨性。
而且，如上所述结构的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层能够通过例如在工具基体表面使反应气体组成周期性变化的以下化学蒸镀法而成膜。
对所使用的化学蒸镀反应装置，将由NH3、N2、H2构成的气体组A和由TiCl4、Al(CH3)3、AlCl3、N2、H2构成的气体组B分别从各自的供气管向反应装置内的供给，气体组A和气体组B向反应装置内的供给例如以一定周期的时间间隔，以气体流过比该周期短的时间的方式进行供给，以使在气体组A和气体组B的供气中产生比气体供给时间短的时间的相位差，从而能够使工具基体表面中的反应气体组成随时间变化为(甲)气体组A；(乙)气体组A和气体组B的混合气体；及(丙)气体组B。并且，在本发明中无需导入用于进行严格的气体置换的长时间的排气工序。从而，作为供气方法也可以通过以下方式实现：例如供气按时间连续进行供给，且使供气口旋转，或者使工具基体旋转，或者使工具基体往复移动，从而使工具基体表面中的反应气体组成随时间变化为(甲)以气体组A为主的混合气体；(乙)气体组A和气体组B的混合气体；(丙)以气体组B为主的混合气体。
在工具基体表面，使反应气体组成(相对于气体组A及气体组B的总和的体积％)例如在气体组A中为NH3：1.0～2.0％、N2：0～5％、H2：55～60％，在气体组B中为AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％、Al(CH3)3：0～0.5％、N2：0.0～12.0％、H2：剩余部分，且设为反应气氛压力：4.5～5.0kPa、反应气氛温度：700～900℃、供给周期1～5秒、每1周期的气体供给时间0.15～0.25秒、气体组A和气体组B的供给相位差0.10～0.20秒，并经规定时间进行热CVD法，从而成膜规定的目标层厚的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层。
如上所述，以在气体组A和气体组B到达工具基体表面的时间上产生差异的方式进行供给，作为气体组A中的氮原料气体设定为NH3：1.0～2.0％，N2：0～5％，并设定为气体组B中的金属氯化物原料或碳原料即AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％，Al(CH3)3：0～0.5％，从而在晶粒内因导入局部组成的不规则、转位或点缺陷而形成晶格的局部应变，另外，可以使晶粒的工具基体表面一侧和被膜表面一侧的{111}取向的程度发生变化。其结果，发现在维持耐磨性的同时韧性显著提高。其结果，发现尤其在耐缺损性、耐崩刀性提高，且在断续的冲击性负荷作用于切削刃的合金钢等的高速断续切削加工中使用的情况下，硬质包覆层在长时间使用中可发挥优异的切削性能。
本发明是根据所述见解而完成的，其具有如下特征。
(1)一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任一种构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
(a)所述硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法而成膜的平均层厚为1～20μm的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，在由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的情况下，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005，
(b)所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相，
(c)并且，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子背散射衍射装置，从所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的纵剖面方向，对复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，在0～10度范围内的倾斜角分区中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范围内的度数的合计示出在所述倾斜角度数分布中的所有度数的45％以上的比例，
(d)关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的平均粒子宽度W为0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织，
(e)并且，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有所述NaCl型面心立方结构的各晶粒内，沿该晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)中的Ti和Al的周期性组成变化，周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx为0.03～0.25。
(2)根据(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti和Al的周期性组成变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti和Al的周期性组成变化，沿其方位的周期为3～100nm，在与该方位正交的面内的、Al在Ti和Al的总量中所占的组成变化XO的变化为0.01以下。
(3)根据(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，由X射线衍射求出具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a，所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN的晶格常数aTiN和立方晶AlN的晶格常数aAlN满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系。
(4)根据(1)至(3)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的单相构成。
(5)根据(1)至(3)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，在复合氮化物或复合碳氮化物的层内的、由具有NaCl型面心立方结构的各晶粒构成的柱状组织的晶界部存在具有六方晶结构的微晶粒，存在该微晶粒的面积比例为30面积％以下，该微晶粒的平均粒径R为0.01～0.3μm。
(6)根据(1)至(5)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述工具基体与所述Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间，存在由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上的Ti化合物层构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的下部层。
(7)根据(1)至(6)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的上部存在上部层，该上部层至少包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层。
(8)根据(1)至(7)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层通过至少含有作为反应气体成分的三甲基铝的化学蒸镀法而成膜。
以下对本发明进行详细说明。
构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层的平均层厚：
本发明的硬质包覆层至少包含被化学蒸镀的由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层。该复合氮化物或复合碳氮化物的层硬度高且具有优异的耐磨性，而且尤其在平均层厚为1～20μm时显著发挥其效果。其理由在于，若平均层厚小于1μm，则因层厚较薄而在长期使用中无法充分确保耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过20μm，则Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。从而将其平均层厚确定为1～20μm。
另外，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层也可以是立方晶和六方晶的混相，但若具有NaCl型面心立方结构的晶粒所占的面积比例低于70面积％，则硬度会降低，因此优选具有NaCl型面心立方结构的晶粒所占的面积比例为70面积％以上，另外，更优选由具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的单相构成。
构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层的组成：
本发明的构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层中，Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均为原子比)分别控制成满足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005。
其理由在于，若Al的平均含有比例Xavg小于0.60，则Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬度差，因此在供合金钢等的高速断续切削时耐磨性不充分。另一方面，若Al的平均含有比例Xavg超过0.95，则相对地Ti的含有比例减少，因此将导致脆化且耐崩刀性降低。从而Al的平均含有比例Xavg确定为0.60≤Xavg≤0.95。
并且，在复合氮化物或复合碳氮化物的层中所含有的C成分的平均含有比例Yavg为0≤Yavg≤0.005范围的微量时，复合氮化物或复合碳氮化物的层和工具基体或下部层的粘附性提高且润滑性提高，从而减缓切削时的冲击，其结果复合氮化物或复合碳氮化物的层的耐缺损性及耐崩刀性提高。另一方面，若C成分的平均含有比例Yavg在0≤Yavg≤0.005的范围之外，则因复合氮化物或复合碳氮化物的层的韧性降低而耐缺损性及耐崩刀性反而降低，因此不优选。从而C的平均含有比例Yavg确定为0≤Yavg≤0.005。
Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层((Ti1-xAlx)(CyN1-y)层)内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶面即{111}面的倾斜角度数分布：
关于本发明的所述(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层，若使用电子背散射衍射装置，从纵剖面方向对具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线(与剖面研磨面中的工具基体表面垂直的方向)所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数时，当在0～10度范围内的倾斜角分区中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范围内的度数的合计示出在所述倾斜角度数分布中的所有度数的45％以上的比例的倾斜角度数分布形式时，由所述Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层构成的硬质包覆层在维持NaCl型面心立方结构的同时具有高硬度，而且根据如上所述的倾斜角度数分布形式，硬质包覆层和基体的粘附性显著提高。
从而，这种包覆工具例如在不锈钢的高速断续切削等中使用的情况下，也可以抑制崩刀、缺损、剥离等的产生，而且发挥优异的耐磨性。
构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A：
关于复合氮化物或复合碳氮化物的层中具有NaCl型面心立方结构的晶粒，将与工具基体表面平行的方向的粒子宽度设为w，并且将与工具基体表面垂直的方向的粒子长度设为l，将所述w与l之比l/w设为各晶粒的纵横尺寸比a，另外，在将关于各晶粒求出的纵横尺寸比a的平均值设为平均纵横尺寸比A，将关于各晶粒求出的粒子宽度w的平均值设为平均粒子宽度W的情况下，在本发明中控制为平均粒子宽度W满足0.1～2.0μm，平均纵横尺寸比A满足2～10。
当满足该条件时，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒成为柱状组织，其显示出优异的耐磨性。另一方面，若平均纵横尺寸比A低于2，则在NaCl型面心立方结构的晶粒内不易形成本发明的特征即组成的周期性分布，若超出10则难以抑制龟裂的扩展。并且，若平均粒子宽度W小于0.1μm则耐磨性降低，若超过2.0μm则韧性降低。从而构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的NaCl型面心立方结构的晶粒的平均粒子宽度W确定为0.1～2.0μm。
在具有NaCl型面心立方结构的晶粒内存在的Ti和Al的组成变化：
另外，由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示具有NaCl型面心立方结构的晶体的情况下，在晶粒内存在Ti和Al的周期性组成变化时，在晶粒内产生应变且硬度提高。然而，若Ti和Al的组成变化大小的指标即所述组成式中的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx小于0.03，则所述晶粒的应变较小，无法期待硬度充分提高。另一方面，若x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx超过0.25，则晶粒的应变变得过大，晶格缺陷变大，且硬度降低。于是，在具有NaCl型面心立方结构的晶粒内存在的Ti和Al的组成变化中，将周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx设为0.05～0.25。
并且，Ti和Al的周期性组成变化，优选沿具有NaCl型面心立方结构的晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在。然而，若其周期小于3nm则韧性降低。另一方面，若超过100nm则无法期待硬度提高的效果。从而沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在的周期优选为3～100nm。并且，与该方位正交的面内的、Al在Ti和Al的总量中所占组成变化XO的变化成为0.01以下，导致在与{111}面构成角度的{001}面内的转位的滑动，从而韧性会提高。
构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a：
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，在使用X射线衍射装置将Cu-Kα射线作为射线源而实施X射线衍射试验，并求出NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a时，在所述晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN(JCPDS00-038-1420)的晶格常数aTiN：和立方晶AlN(JCPDS00-046-1200)的晶格常数aAlN：满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系时，显示出更高的硬度，且显示出较高的热传导性，从而具备优异的耐磨性且优异的耐热冲击性。
在由复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒构成的柱状组织的晶界部存在的微晶粒和该微晶粒所存在的面积比例及平均粒径R：
在由具有NaCl型面心立方结构的各晶粒构成的柱状组织的晶界部，存在具有六方晶结构的微晶粒，因此晶界滑移得到抑制且韧性提高。然而，若其面积比例超过30面积％，则相对地NaCl型面心立方结构的晶相的比例减少而硬度降低，因此不优选。并且，若微晶粒的平均粒径R小于0.01μm，则抑制晶界滑移的效果不充分，另一方面，若超过0.3μm，则柱状组织内的应变增大且硬度降低，因此不优选。
下部层及上部层：
并且，本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层其本身就可以发挥充分的效果，但在设置有由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上的Ti化合物层构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的下部层的情况下、及/或设置有包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层的上部层的情况下，与这些层所发挥的效果相互协同，能够发挥进一步优异的特性。在设置由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上的Ti化合物层构成的下部层时，若下部层的合计平均层厚小于0.1μm，则无法充分地发挥下部层的效果，另一方面，若超过20μm，则晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。并且，若包含氧化铝层的上部层的合计平均层厚小于1μm，则无法充分发挥上部层的效果，另一方面，若超过25μm，则晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。
本发明在将硬质包覆层设置于工具基体表面的表面包覆切削工具中，硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为1～20μm的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，并由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的情况下，Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005，在构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的晶粒中存在具有NaCl型面心立方结构的晶粒，且使用电子背散射衍射装置从纵剖面方向对该晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，在0～10度范围内的倾斜角分区中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范围内的度数的合计示出在所述倾斜角度数分布中的所有度数的45％以上的比例，并且关于复合氮化物或复合碳氮化物的层，在从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的平均粒子宽度W为0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织，沿复合氮化物或复合碳氮化物的层的层厚方向，在所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)中的Ti和Al的周期性组成变化，周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx为0.03～0.25，由于本发明具有这种特有的结构，因此在具有立方晶结构的晶粒内产生应变，从而晶粒的硬度提高，保持较高的耐磨性且韧性提高。其结果，发挥提高耐崩刀性的效果，与以往的硬质包覆层相比，在长期使用中发挥优异的耐缺损性，可实现包覆工具的长寿命化。
尤其，在Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的NaCl型面心立方结构的晶粒中，在晶粒内存在Ti和Al的周期性组成变化，因此晶粒内产生应变且硬度提高，并且具有柱状组织，因此发挥较高的耐磨性，并且在柱状组织的晶界部存在六方晶结构的微晶粒，因此晶界滑移得到抑制且韧性提高，另外，NaCl型面心立方结构的晶粒在{111}面取向，因此与耐后刀面磨损性、耐月牙洼磨损性分别提高相结合，即使在断续的冲击性负荷作用于切削刃的合金钢等的高速断续切削加工中使用的情况下，本发明的包覆工具也会发挥耐崩刀性、耐缺损性和优异的耐磨性。
附图说明
图1是示意地表示构成本发明的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的剖面的膜结构示意图。
图2是示意地表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层的剖面中，关于存在Ti和Al的周期性组成变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒，沿该晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti和Al的周期性组成变化，在与该方位正交的面内的Ti和Al的组成变化较小的情况的示意图。
图3是表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层的剖面中，关于存在Ti和Al的周期性组成变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒，使用透射型电子显微镜并通过能量分散型X射线光谱法(EDS)进行射线分析结果的Ti和Al的周期性组成变化x的曲线图的一例的图。
图4表示在构成本发明包覆工具的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层的剖面中，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，并在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出的倾斜角度数分布的一例。
图5表示在构成比较包覆工具的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层的剖面中，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，并在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出的倾斜角度数分布的一例。
具体实施方式
接着，通过实施例对本发明的包覆工具进行更具体的说明。
实施例1
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、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进而添加石蜡后在丙酮中用球磨机混合24小时，在进行减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，对该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，烧结之后，分别制造出具有ISO标准SEEN1203AFSN的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A～C。
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TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，并用球磨机进行24小时的湿式混合，在干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，对该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃保持1小时的条件下进行烧结，在烧结之后，制作出具有ISO标准SEEN1203AFSN的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体D。
接着，对这些工具基体A～D的表面，使用化学蒸镀装置并通过如下步骤制造出本发明包覆工具1～9。
表4所示的形成条件A～I，即作为由NH3、N2、H2构成的气体组A、由TiCl4、Al(CH3)3、AlCl3、N2、H2构成的气体组B及各种气体的供给方法，将反应气体组成(相对于气体组A及气体组B的总和的体积％)设为在气体组A中NH3：1.0～1.5％、N2：0.0～5.0％、H2：55～60％，在气体组B中AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％、Al(CH3)3：0～0.5％、N2：0.0～12.0％、H2：剩余部分，设为反应气氛压力：4.5～5.0kPa、反应气氛温度：700～900℃、供给周期1～5秒、每1周期的气体供给时间0.15～0.25秒、气体组A和气体组B的供给相位差0.10～0.20秒，并以规定时间进行热CVD法，表示表7所示的Ti和Al的周期性组成变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒以表7所示的面积比例存在，形成由具有表7所示目标层厚的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层构成的硬质包覆层。
另外，关于本发明包覆工具3～9，在表3所示的形成条件下形成了表6所示的下部层、上部层中的任一层。
关于构成所述本发明包覆工具1～9的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用扫描电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)经多个视场进行观察的结果，如图1所示的膜结构示意图所示，确认到在由具有NaCl型面心立方结构的晶粒构成的柱状组织的晶界部存在具有六方晶体的微晶粒，并且其面积比例为30面积％以下，另外，微晶粒的平均粒径R为0.01～0.3μm。从多个观察视场中发现3处在发现微晶粒的柱状组织的晶界中具有0.5μm以上的晶界长度的部位，计数存在于各0.5μm的线段上的晶界数，通过1.5μm除以3处的合计晶界数而能够得出微晶粒的平均粒径R。
并且，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)并通过能量分散型X射线光谱法(EDS)进行表面分析，从而确认到在NaCl型面心立方结构的晶粒内存在Ti和Al的周期性组成变化。进一步进行详细分析的结果，确认到Ti和Al的周期性组成变化x的极大值的平均值与极小值的平均值之差为0.03～0.25。
并且，以比较为目的，对工具基体A～D的表面以表3及表5所示的条件且表8所示的目标层厚(μm)，通过与本发明包覆工具1～9相同的方式蒸镀形成了至少包含Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬质包覆层。此时，在(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的成膜工序中，以工具基体表面中的反应气体组成不会随时间变化的方式形成硬质包覆层，从而制造出比较包覆工具1～9。
另外，与本发明包覆工具3～9同样，关于比较包覆工具3～9，在表3所示的形成条件下形成了表6所示的下部层、上部层中的任一层。
为了参考，对工具基体B的表面使用以往的物理蒸镀装置通过电弧离子镀以目标层厚蒸镀形成了参考例的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层，从而制造出表8所示的参考包覆工具10。
另外，在参考例的蒸镀中使用的电弧离子镀的条件如下。
(a)将所述工具基体B在丙酮中进行超声波清洗，并经过干燥的状态下，在从电弧离子镀装置内的旋转台上的中心轴向径向分开规定距离的位置，沿外周部进行装配，并且作为阴极电极(蒸发源)配置规定组成的Al-Ti合金，
(b)首先，将装置内部进行排气以保持10-2Pa以下的真空，并且用加热器将装置内部加热到500℃之后，对于在所述旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-1000V的直流偏压，且使200A的电流在由Al-Ti合金构成的阴极电极与阳极电极之间流过，从而产生电弧放电，在装置内部产生Al及Ti离子，并且对工具基体表面进行轰击清洗，
(c)接着，将氮气作为反应气体导入装置内部而设为4Pa的反应气氛，并且对于在所述旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-50V的直流偏压，且使120A的电流在由所述Al-Ti合金构成的阴极电极(蒸发源)与阳极电极之间流过，从而产生电弧放电，在所述工具基体的表面蒸镀形成表8所示的目标组成、目标层厚的(Ti,Al)N层，制造出参考包覆工具10。
并且，使用扫描电子显微镜(倍率5000倍)测定本发明包覆工具1～9、比较包覆工具1～9及参考包覆工具10的各结构层的与工具基体垂直方向的剖面，当测定观察视场内的5点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出与表6～表8所示的目标层厚实质上相同的平均层厚。
并且，关于复合氮化物或复合碳氮化物的层的Al的平均含有比例Xavg，使用电子探针显微分析仪(EPMA，Electron-Probe-Micro-Analyser)，在研磨了表面的试料中，从试料表面一侧照射电子射线，由所得到的特性X射线的分析结果的10点平均值求出Al的平均含有比例Xavg。通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy)求出C的平均含有比例Yavg。从试料表面一侧，在70μm×70μm的范围内照射离子束，对通过溅射作用而释放出的成分测定了深度方向的浓度。C的平均含有比例Yavg表示关于Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的深度方向的平均值。然而，C的含有比例中排除了作为气体原料即使有意不使用包含C的气体也会包含在内的不可避免的C的含有比例。具体而言，求出将Al(CH3)3的供给量设为0时的复合氮化物或复合碳氮化物的层中所包含的C成分的含有比例(原子比)作为不可避免的C的含有比例，将从有意供给了Al(CH3)3的情况下得到的复合氮化物或复合碳氮化物的层中所包含的C成分的含有比例(原子比)中减去所述不可避免的C的含有比例的值作为Yavg而求出。
并且，关于本发明包覆工具1～9、比较包覆工具1～9及参考包覆工具10，从与工具基体垂直的方向的剖面方向使用扫描电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)，关于在工具基体表面和水平方向上的长度为10μm且在法线方向上小于该复合氮化物或复合碳氮化物的层的膜厚的范围内存在的、构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层中具有NaCl型面心立方结构的各晶粒，测定与基体表面平行的方向的粒子宽度w、与基体表面垂直的方向的粒子长度l，并算出各晶粒的纵横尺寸比a(＝l/w)，并且算出关于各晶粒求出的纵横尺寸比a的平均值作为平均纵横尺寸比A，并且算出关于各晶粒求出的粒子宽度w的平均值作为平均粒子宽度W。另外，也算出在由具有立方晶结构的各晶粒构成的柱状组织的晶界部存在的微晶粒的平均粒径R。将其结果示于表7及表8中。
并且，关于硬质包覆层的倾斜角度数分布，在将与由Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层构成的硬质包覆层的工具基体表面垂直的方向的剖面设为研磨面的状态下设置于场发射电子扫描显微镜的镜筒内，在所述研磨面上，以70度的入射角度，将15kV的加速电压的电子射线以1nA的照射电流照射于在所述剖面研磨面的测定范围内存在的具有立方晶晶格的各晶粒，并使用电子背散射衍射图像装置，关于在工具基体表面和水平方向上的长度为100μm、且沿与工具基体表面垂直的方向的剖面在膜厚以下的距离的测定范围内的该硬质包覆层，以0.01μm/step的间隔测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于基体表面的法线(与剖面研磨面中的基体表面垂直的方向)所成的倾斜角，根据该测定结果，在所述测定倾斜角中，将在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数，由此确认存在于0～10度范围内的度数的峰值的存在，且求出存在于0～10度范围内的度数的比例。将其结果同样示于表7及表8中。
图4中，作为一例示出关于本发明包覆工具进行测定的倾斜角度数分布，并且图5中示出关于比较包覆工具测定的倾斜角度数分布曲线图。
并且，使用电子背散射衍射装置，在将与由Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层构成的硬质包覆层的工具基体垂直的方向的剖面作为研磨面的状态下设置于场发射电子扫描显微镜的镜筒内，在所述研磨面上，以70度的入射角度，将15kV的加速电压的电子射线以1nA的照射电流照射于在所述剖面研磨面的测定范围内存在的各晶粒，关于工具基体和水平方向的长度为50μm、且法线方向上小于该复合氮化物或复合碳氮化物的层的膜厚的硬质包覆层，以0.01μm/step的间隔测定电子背散射衍射图像，并分析各晶粒的晶体结构，从而确定在由具有NaCl型面心立方结构的晶粒构成的柱状组织的晶界部存在的微晶粒为六方晶结构，并求出其微晶粒所占的面积比例。将其结果同样示于表7及表8中。
另外，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)观察复合氮化物或复合碳氮化物的层的微小区域，并使用能量分散型X射线光谱法(EDS)从剖面一侧进行表面分析的结果，确认到在所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)中的Ti和Al的周期性组成变化。并且，通过对该晶粒进行电子射线衍射，确认到沿NaCl型面心立方结构的晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位而存在Ti和Al的周期性组成变化，沿其方位进行基于EDS的射线分析，将Ti和Al的周期性组成变化的极大值的平均值和极小值的平均值之差作为Δx而求出，进而将极大值的周期作为Ti和Al的周期性组成变化的周期而求出，沿着与该方位正交的方向进行射线分析，将Ti和Al的总量中所占的Al的含有比例x的最大值与最小值之差作为Ti和Al的组成变化XO而求出。
将其结果同样示于表7及表8中。
[表1]
[表2]
[表3]
[表6]
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均夹紧于刀具直径125mm的工具钢制刀具前端部的状态下，对本发明包覆工具1～9、比较包覆工具1～9及参考包覆工具10实施以下所示的合金钢的高速断续切削的一种即干式高速正面铣削及中心切割式切削加工试验，测定出切削刃的后刀面磨损宽度。将其结果示于表9中。
工具基体：碳化钨基硬质合金，碳氮化钛基金属陶瓷，
切削试验：干式高速正面铣削，中心切割式切削加工，
工件：JIS·SCM440宽度100mm、长度400mm的块体材料，
转速：968min-1，
切削速度：380m/min，
切深量：1.0mm，
单刀进给量：0.1mm/刀，
切削时间：8分钟，
(通常的切削速度为220m/min)。
[表9]
比较包覆工具、参考包覆工具一栏的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
实施例2
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，将这些原料粉末配合成表10所示的配合组成，进而添加石蜡后在丙酮中用球磨机混合24小时，在进行减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，在烧结之后，对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工，从而分别制造出具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体α～γ。
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TiC/TiN＝50/50)粉末、NbC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表11所示配合组成，用球磨机进行湿式混合24小时，在干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃保持1小时的条件下进行烧结，在烧结之后，对切削刃部分实施R：0.09mm的刃口修磨加工，从而形成了具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体δ。
接着，对这些工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用化学蒸镀装置并通过与实施例1相同的方法，在表3及表4所示的条件下，以目标层厚蒸镀形成至少包含(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的硬质包覆层，从而制造出表13所示的本发明包覆工具11～19。
另外，关于本发明包覆工具13～19，在表3所示的形成条件下形成了表12所示的下部层、上部层中的任一层。
并且，以比较为目的，同样在工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用通常的化学蒸镀装置，以表3及表5所示的条件且表13所示的目标层厚，以与本发明包覆工具相同地蒸镀形成硬质包覆层，从而制造出表14所示的比较包覆工具11～19。
另外，与本发明包覆工具13～19相同，关于比较包覆工具13～19，在表3所示的形成条件下形成了表12所示的下部层、上部层中的任一层。
为了参考，在工具基体β的表面，使用以往的物理蒸镀装置并通过电弧离子镀，以目标层厚蒸镀形成参考例的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层，从而制造出表14所示的参考包覆工具20。
另外，电弧离子镀的条件使用了与实施例1所示的条件相同的条件。
并且，使用电子扫描显微镜(倍率5000倍)，对本发明包覆工具11～19、比较包覆工具11～19及参考包覆工具20的各结构层的剖面进行测定，测定观察视场内的5点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实质上与表12～表14所示的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于所述本发明包覆工具11～19、比较包覆工具11～19及参考包覆工具20的硬质包覆层，利用与实施例1所示的方法相同的方法，算出Al的平均含有比例Xavg、C的平均含有比例Yavg、构成柱状组织(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的具有立方晶结构的晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A。并且，利用与实施例1所示的方法相同的方法，测定所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶面即{111}面的法线相对于基体表面的法线(与剖面研磨面中的基体表面垂直的方向)所成的倾斜角，根据该测定结果，在所述测定倾斜角中，将在0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数，从而确认存在于0～10度范围内的度数的峰值的存在，且求出存在于0～10度范围内的度数的比例。
另外，关于在由具有NaCl型面心立方结构的晶粒构成的柱状组织的晶界部存在的微晶粒的平均粒径R及存在微晶粒的面积比例，也利用与实施例1中示出的方法相同的方法算出。
将其结果示于表13及表14中。
关于构成所述本发明包覆工具11～19的硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子扫描显微镜(倍率5000倍及20000倍)经多个视场进行观察的结果，如图1所示的膜结构示意图所示，确认到存在NaCl型面心立方晶体和六方晶体的柱状组织的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层。并且，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)并通过基于能量分散型X射线光谱法(EDS)的表面分析，确认到在NaCl型面心立方晶粒内存在Ti和Al的周期性组成分布。进一步详细分析的结果，确认到x的极大值的平均值和极小值的平均值的Δx为0.03～0.25。
并且，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子背散射衍射装置，对由具有立方晶结构的各晶粒构成的柱状组织，从Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的纵剖面方向进行分析的结果，确认到存在于晶界部的微晶粒具有六方晶结构。
[表10]
[表11]
[表12]
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具11～19、比较包覆工具11～19及参考包覆工具20，实施如下所示的碳钢的干式高速断续切削试验及铸铁的湿式高速断续切削试验，均测定出切削刃的后刀面磨损宽度。
切削条件1：
工件：JIS·SCM435的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒，
切削速度：380m/min，
切深量：1.5mm，
进给量：0.2mm/rev，
切削时间：5分钟，
(通常的切削速度为220m/min)，
切削条件2：
工件：JIS·FCD700的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒，
切削速度：320m/min，
切深量：1.0mm，
进给量：0.2mm/rev，
切削时间：5分钟，
(通常的切削速度为180m/min)、
表15中示出所述切削试验的结果。
[表15]
比较包覆工具、参考包覆工具一栏的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
实施例3
作为原料粉末均准备具有0.5～4μm的范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、TiC粉末、Al粉末、Al2O3粉末，将这些原料粉末配合成表16所示的配合组成，用球磨机进行湿式混合80小时，在干燥之后，以120MPa的压力冲压成型为具有直径：50mm×厚度：1.5mm的尺寸的压坯，接着，将该压坯在压力：1Pa的真空气氛中以900～1300℃范围内的规定温度保持60分钟的条件下进行烧结，从而作为切削刃片用备用烧结体，在将该备用烧结体与另外准备的Co：8质量％、WC：剩余部分的组成、以及具有直径：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基硬质合金制支撑片重合的状态下装入通常的超高压烧结装置中，在通常条件下即在压力：4GPa、温度：1200～1400℃范围内的规定温度及保持时间：0.8小时的条件下进行超高压烧结，使用金刚石砂轮对烧结后的上下表面进行研磨，并利用电火花线切割加工装置分割成规定的尺寸，进而对具有Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：剩余部分的组成及JIS标准CNGA120412的形状(厚度：4.76mm×内切圆直径：12.7mm的80°菱形)的WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(角部)，使用以质量％计具有由Zr：37.5％、Cu：25％、Ti：剩余部分构成的组成的Ti-Zr-Cu合金的钎料来进行钎焊，以规定尺寸进行外周加工之后，对切削刃部实施宽度：0.13mm、角度：25°的刃口修磨加工，进而实施精研磨，从而分别制造出具有ISO标准CNGA120412的刀片形状的工具基体甲、乙。
[表16]
接着，在这些工具基体甲、乙的表面，使用通常的化学蒸镀装置并通过与实施例1相同的方法，在表3及表4所示的条件下，以目标层厚蒸镀形成至少包含(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的硬质包覆层，从而制造出表18中示出的本发明包覆工具21～24。
另外，关于本发明包覆工具22～24，在表3所示的形成条件下形成了如表17所示的下部层、上部层中的任一层。
并且，以比较为目的，同样在工具基体甲、乙的表面，使用通常的化学蒸镀装置，在表3及表5所示的条件下，以目标层厚蒸镀形成至少包含(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的硬质包覆层，从而制造出表19中示出的比较包覆工具21～24。
另外，与本发明包覆工具22～24相同地，关于比较包覆工具22～24，在表3中示出的形成条件下形成了如表17所示的下部层、上部层中的任一层。
为了参考，在工具基体甲、乙的表面，使用以往的物理蒸镀装置并通过电弧离子镀，以目标层厚蒸镀形成(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层，从而制造出表19中示出的参考包覆工具25。
另外，电弧离子镀的条件使用与实施例1中示出的条件相同的条件，在所述工具基体的表面蒸镀形成表19中示出的目标组成、目标层厚的(Al,Ti)N层，制造出参考包覆工具25。
并且，使用电子扫描显微镜(倍率5000倍)，对本发明包覆工具21～24、比较包覆工具21～24及参考包覆工具25的各结构层的剖面进行测定，测定观察视场内的5点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实质上与表17～表19中示出的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于所述本发明包覆工具21～24、比较包覆工具21～24及参考包覆工具25的硬质包覆层，利用与实施例1中示出的方法相同的方法算出Al的平均含有比例Xavg、C的平均含有比例Yavg、构成(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的具有NaCl型面心立方结构的晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A。并且，利用与实施例1中示出的方法相同的方法，测定所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶面即{111}面的法线相对于基体表面的法线(与剖面研磨面中的基体表面垂直的方向)所成的倾斜角，根据该测定结果，在所述测定倾斜角中将0～45度范围内的测定倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数，从而确认到存在于0～10度范围内的度数的峰值的存在，且求出存在于0～10度范围内的度数的比例。
另外，关于在由具有NaCl型面心立方结构的晶粒构成的柱状组织的晶界部存在的微晶粒的平均粒径R及存在微晶粒的面积比例，也利用与实施例1中示出的方法相同的方法算出。将其结果示于表18及表19中。
[表17]
接着，在利用固定夹具将各种包覆工具均紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具21～24、比较包覆工具21～24及参考包覆工具25实施如下所示的渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工试验，测定出切削刃的后刀面磨损宽度。
工具基体：立方晶氮化硼基超高压烧结体，
切削试验：渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工，
工件：JIS·SCr420(硬度：HRC62)的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒，
切削速度：240m/min，
切深量：0.12mm，
进给量：0.1mm/rev，
切削时间：4分钟，
表20中示出所述切削试验的结果。
[表20]
比较包覆工具、参考包覆工具一栏的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
从表9、表15及表20中示出的结果明确可知，本发明的包覆工具在组成构成硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的NaCl型面心立方结构的晶粒内，通过在晶粒内存在Ti和Al的周期性组成变化，在晶粒内产生应变且硬度提高，并且，通过具有柱状组织而在发挥较高的耐磨性的同时，在柱状组织的晶界部存在六方晶结构的微晶粒，因此抑制晶界滑移且韧性提高，另外，通过NaCl型面心立方结构的晶粒在{111}面取向，耐后刀面磨损性、耐月牙洼磨损性分别提高，其结果，当在断续的冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，耐崩刀性及耐缺损性优异，且在长期使用中发挥优异的耐磨性。
与此相对，关于比较包覆工具1～9、11～19，21～24及参考包覆工具10、20、25明确可知，当在伴有高热产生且断续的冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，因崩刀、缺损等的产生而短时间内达到寿命。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的包覆工具不仅可以用于合金钢的高速断续切削加工中，而且还可以用作各种工件的包覆工具，而且在长期使用中发挥优异的耐崩刀性、耐磨性，因此能够令人满意地应对切削装置的高性能化、切削加工的节省劳力化及节能化、以及低成本化。

Claims (8)

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任一种构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
(a)所述硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法而成膜的平均层厚为1～20μm的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层，在由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的情况下，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg分别满足0.60≤Xavg≤0.95，0≤Yavg≤0.005，其中，Xavg、Yavg均为原子比，
(b)所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相，
(c)并且，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子背散射衍射装置，从所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的纵剖面方向，对复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定所述晶粒的晶面即{111}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，在0～10度范围内的倾斜角分区中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范围内的度数的合计示出在所述倾斜角度数分布中的所有度数的45％以上的比例，
(d)关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的平均粒子宽度W为0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织，
(e)并且，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有所述NaCl型面心立方结构的各晶粒内，沿该晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在组成式：(Ti1- xAlx)(CyN1-y)中的Ti和Al的周期性组成变化，周期性变化的x的极大值的平均值与极小值的平均值之差Δx为0.03～0.25。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti和Al的周期性组成变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti和Al的周期性组成变化，沿其方位的周期为3～100nm，在与该方位正交的面内的、Al在Ti和Al的总量中所占的组成变化XO的变化为0.01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，
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，由X射线衍射求出具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a，所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN的晶格常数aTiN和立方晶AlN的晶格常数aAlN满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系。
4.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，
所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的单相构成。
5.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，
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，在复合氮化物或复合碳氮化物的层内的、由具有NaCl型面心立方结构的各晶粒构成的柱状组织的晶界部存在具有六方晶结构的微晶粒，存在该微晶粒的面积比例为30面积％以下，该微晶粒的平均粒径R为0.01～0.3μm。
6.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，
在所述工具基体与所述Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间，存在由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上的Ti化合物层构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的下部层。
7.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，
在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的上部存在上部层，该上部层至少包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层。
8.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，
所述复合氮化物或复合碳氮化物的层通过至少含有作为反应气体成分的三甲基铝的化学蒸镀法而成膜。
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