CN106573312A

CN106573312A - 被覆切削工具

Info

Publication number: CN106573312A
Application number: CN201580041262.5A
Authority: CN
Inventors: 城地司
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: US20170216929A1; US10300533B2; WO2016017790A1; CN106573312B; EP3195959A4; EP3195959A1; EP3195959B1; JPWO2016017790A1; JP6390706B2

Abstract

本发明的课题在于提供一种被覆切削工具，其是供给更加苛刻的切削加工的被覆切削工具，它不会降低耐磨性而提高耐缺损性，可以供给长期加工。本发明在包含基材、和在该基材的表面形成的被覆层的被覆切削工具中，所述被覆层包含组成用(Ti_xM_1‑x)N[其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y之中的至少1种元素，x表示Ti元素相对于Ti元素和M元素的合计的原子比，并满足0.45≤x≤0.9]来表示的硬质层；构成所述硬质层的粒子的平均粒径为200nm～600nm，所述硬质层的粒子满足规定的条件。

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

近年来，切削加工的高效率化的需要正在提高。伴随着该需要的提高，要求工具寿命比以前更长的切削工具。因此，作为工具材料的要求特性，与切削工具的寿命有关的耐磨性和耐缺损性的提高变得更加重要。于是，作为使这些特性得以提高的被覆切削工具，在由硬质合金、金属陶瓷、cBN等构成的基材表面含有1层或者2层以上的TiN层、TiAlN层等被覆层的被覆切削工具得到了广泛的应用。

人们提出了用于更加提高所述耐磨性和耐缺损性、且用于改善所述被覆层的特性的各种各样的技术。例如在专利文献1中，提出了包含规定的晶体取向性硬质膜的层叠被覆构件。该层叠被覆构件具有基材、层叠于其上的第1覆盖膜层以及第2覆盖膜层。这两种覆盖膜层由Ti和Al的氮化物、碳氮化物、氮氧化物、碳氧化物以及碳氮氧化物中的1种的单层或者2种以上的多层构成。而且所述第1覆盖膜层在(200)晶面具有最大峰值强度，所述第2覆盖膜层在(111)晶面具有最大峰值强度。

在专利文献2中，提出了包括硬质合金体和规定的覆盖膜的切削工具刀片。所述覆盖膜为(Ti_1－XAl_X)N(x以原子比计为0.25～0.50)的单层。另外，关于所述覆盖膜的取向性，沿(200)面取向。

正如上述专利文献1以及2那样，为人所知的是在Ti和Al的化合物层中，对X射线衍射的衍射强度进行控制，从而控制被覆层的特性。特别地，为人所知的是通过对(111)面控制取向性，切削工具的耐剥离性和耐氧化性得以提高。另外，为人所知的还有通过对(200)面控制取向性，切削工具的耐磨性得以提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-330914号公报

专利文献2：日本特开2009-90452号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在近年的切削加工中，高速化、高进给化以及深进刀量化变得更加明显。因此，在加工中施加于刀口的负荷的作用下，从工具表面产生的裂纹向基材发展。另外，在所述加工中，由于刀口温度急剧增减，因而从基材产生的裂纹向被覆层中发展。因这些原因引起的工具的缺损可以大量看到。

在这样的背景下，上述以前的被覆切削工具存在的问题是：被覆层的韧性并不充分，因而容易产生工具的缺损。

本发明是为解决这些问题而完成的。也就是说，本发明的课题在于提供一种被覆切削工具，其是供给更加苛刻的切削加工的被覆切削工具，它不会降低耐磨性而提高耐缺损性，可以供给长期加工。

用于解决课题的手段

本发明人就被覆切削工具的工具寿命的延长反复进行了研究。结果发现：根据以下的构成，可以不降低耐磨性而提高耐缺损性。由此，可以延长被覆切削工具的工具寿命。

也就是说，本发明的要旨如下所述。

(1)一种被覆切削工具，其包含基材、和在该基材的表面形成的被覆层，其中，

所述被覆层包含组成用(Ti_xM_1-x)N[其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y之中的至少1种元素，x表示Ti元素相对于Ti元素和M元素的合计的原子比，并满足0.45≤x≤0.9]来表示的硬质层；

构成所述硬质层的粒子的平均粒径为200nm～600nm；

当在所述硬质层的与所述基材的表面大致平行的研磨面中，将该研磨面的法线与所述硬质层的粒子的立方晶(311)面的法线所成的角作为方位差求出，并将所述研磨面中的方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计A设定为100面积％，同时对方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积以每隔5度的间距进行划分，将各自区划中的所述粒子的断面的面积的合计B以相对于所述合计A的比率的形式求出时，在方位差为0度以上且低于15度的范围内，存在硬质层的粒子断面的面积的合计B为最大的区划。

(2)根据上述(1)所述的被覆切削工具，其中，方位差在0度以上且低于15度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计相对于所述合计A的比率Sa是55面积％≤Sa≤90面积％。

(3)根据上述(1)或(2)所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层的平均厚度为0.5μm～10μm。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层具有压缩应力。

(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层具有0.2GPa～3GPa的压缩应力。

(6)根据上述(1)～(5)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层在所述基材和所述硬质层之间具有下部层，

该下部层具有用(Al_yL_1-y)N[其中，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si以及Y之中的至少1种元素，y表示Al元素相对于Al元素和L元素的合计的原子比，并满足0.6≤y≤0.9]来表示的组成。

(7)根据上述(6)所述的被覆切削工具，其中，所述下部层的平均厚度为0.2μm～5μm。

(8)根据上述(1)～(7)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层的总厚度为0.5μm～10μm。

(9)根据上述(1)～(8)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种。

发明的效果

本发明的被覆切削工具不会降低耐磨性而使耐缺损性得以提高。因此，本发明的被覆切削工具可以产生能够比以前更加延长工具寿命的效果。

附图说明

图1是对于实施例的发明产品6，横轴取5度的间距的区划，且纵轴取其每一个间距的各区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B相对于合计A的比率(面积率)的图。

图2是对于实施例的比较产品2，横轴取5度的间距的区划，且纵轴取其每一个间距的各区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B相对于合计A的比率(面积率)的图。

具体实施方式

下面就本发明进行详细的说明。

本发明的被覆切削工具包含基材、和在基材的表面形成的被覆层。作为所述基材，只要是以前用作被覆切削工具的基材的材料，就可以没有特别限定地使用。作为所述基材的例子，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。即使在它们之中，基材也优选为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种。这是因为本发明的被覆切削工具的耐磨性和耐缺损性优良。

本发明的被覆切削工具的被覆层的总厚度优选为0.5μm～10μm。如果被覆层的总厚度低于0.5μm，则可以看到被覆切削工具的耐磨性具有降低的倾向。另一方面，如果被覆层的总厚度超过10μm，则可以看到被覆切削工具的耐缺损性具有降低的倾向。从这些角度考虑，被覆层的总厚度进一步优选为1.5～8.0μm。

此外，在本发明中，被覆层的总厚度设定为硬质层和后述的下部层等构成被覆层的各层的平均厚度之和。

下面就本发明的被覆切削工具的构成被覆层的各层进行说明。

所述被覆层包含硬质层。所述硬质层具有用(Ti_xM_1-x)N来表示的组成。根据该组成，可以赋予本发明的被覆切削工具以优良的耐磨性。硬质层在被覆层中也可以存在2层以上。

此外，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y之中的至少1种元素。另外，x表示Ti元素相对于Ti元素和M元素的合计的原子比，并满足0.45≤x≤0.9。通过含有M元素，本发明的被覆切削工具具有优良的耐磨性以及耐氧化性。

特别是M元素为Al时，被覆切削工具的耐氧化性得以提高，因而是优选的。由此，可以延迟因月牙洼磨损(crater wear)发展所引起的缺损的发生。

如果Ti元素的原子比x低于0.45，则Ti的含量减少，从而被覆切削工具的耐磨性降低。另一方面，如果原子比x超过0.9，则不能获得因含有M元素而产生的效果，所以被覆切削工具的耐磨性和耐氧化性降低。

此外，在本发明中，将被覆层的组成记为(M_aL_b)N的情况意味着在该组成中，M元素相对于全部金属元素的原子比为a，L元素相对于全部金属元素的原子比为b。例如，(Al_0.55Ti_0.45)N意味着Al元素相对于全部金属元素的原子比为0.55，Ti元素相对于全部金属元素的原子比为0.45。也就是说，Al元素相对于全部金属元素的量为55原子％，Ti元素相对于全部金属元素的量为45原子％。

本发明的被覆切削工具的被覆层中的硬质层的平均厚度优选为0.5μm～10μm。如果硬质层的平均厚度低于0.5μm，则被覆切削工具的耐磨性显示出降低的倾向。另一方面，如果硬质层的平均厚度超过10μm，则被覆切削工具的耐缺损性显示出降低的倾向。从这些角度考虑，硬质层的平均厚度更优选为1.5μm～8μm。此外，关于硬质层的平均厚度的求出方法，将在后面进行说明。

本发明的被覆切削工具的构成硬质层的粒子的平均粒径为200nm～600nm。如果平均粒径低于200nm，则被覆切削工具的耐磨性降低。另一方面，如果平均粒径超过600nm，则被覆切削工具的耐缺损性降低。从这些角度考虑，构成硬质层的粒子的平均粒径优选为200nm～400nm。此外，关于平均粒径的求出方法，将在后面进行说明。

关于本发明的被覆切削工具的被覆层中的硬质层，在与基材的表面大致平行的研磨面中，当将其研磨面的法线与硬质层的粒子的立方晶(311)面的法线所成的角设定为方位差时，则以下的情况成立。首先，将所述研磨面中的方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计A设定为100面积％。另一方面，对方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积以每隔5度的间距进行划分。如果这样地进行划分，则可以求出各区划内存在的硬质层的所述粒子的断面的面积的合计B。将该合计B表示为相对于所述合计A(100面积％)的比率(面积率)。也就是说，各自区划中的粒子断面的面积的合计B以在所述100面积％中占有多少面积％的形式求出。

这样一来，例如可以作出横轴取5度的间距的区划、纵轴取其每一个间距的各区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B的面积率的图。该图如0度以上且低于5度、5度以上且低于10度、10度以上且低于15度那样，以0度为起点而对方位差以5度的间隔进行划分，示出了其各区划中含有的硬质层的粒子断面的面积的合计值(合计B)的分布。

而且本发明的被覆切削工具在方位差为0度以上且低于15度的范围内，存在硬质层的粒子断面的面积的合计B为最大的区划。

由于具有满足这样的条件的硬质层，因而本发明的被覆切削工具在耐磨性和耐缺损性的平衡方面为优良。从这样的角度考虑，进一步优选在方位差为5度以上且低于15度的范围内，存在硬质层的粒子断面的面积的合计B的面积率为最大的区划。如果在方位差大于15度的范围内存在硬质层的粒子断面的面积的合计B为最大的区划，则被覆切削工具的耐磨性和耐缺损性中的任一项的性能降低。

此外，以上说明的所谓“对方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积以每隔5度的间距进行划分。…在方位差为0度以上且低于15度的范围内，存在硬质层的粒子断面的面积的合计B为最大的区划”，是指以下例子的情况。

如0度以上且低于5度、5度以上且低于10度、15度以上且低于20度那样，将直至35度以下的方位差以5度的间隔进行划分。此外，在本发明中，每隔5度的间距的区划以0度为起点而进行，不会进行1度以上且低于6度之类的划分。而且5度以上且低于10度的区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B被设计为比0度以上且低于5度和20度以上且低于25度等其它任一区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B高。在此情况下，5度以上且低于10度的区划中的所述合计B为最大。因此，该例子与“在方位差为0度以上且低于15度的范围内，存在硬质层的粒子断面的面积的合计B为最大的区划”相当。

此外，各区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B用相对于上述方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计A的比率(面积率)表现出来。因此，所述粒子断面的面积的合计B例如用25面积％等数值表现出来。

对于本发明的被覆切削工具的被覆层中的硬质层，当将方位差在0度以上且低于15度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计相对于所述合计A的比率(面积率)设定为Sa时，优选为55面积％≤Sa≤90面积％。这是因为只要在该范围，就不会降低被覆切削工具的耐磨性而可以抑制成为缺损起点的崩裂的发生。如果Sa低于55面积％，则被覆切削工具的耐磨性或者耐崩裂性具有降低的倾向。这是因为方位差在大于15度的范围内的粒子占有硬质层的大部分。另一方面，使Sa增大至超过90面积％的程度实质上是困难的。

此外，求出以上说明的方位差时的所谓硬质层的研磨面，有以下的意义。也就是说，从基材的相反侧的表面对被覆切削工具进行镜面研磨。而且沿着与基材的表面平行或者大致平行的方向进行研磨直至使硬质层露出，所得到的硬质层的面为“硬质层的研磨面”。此时，硬质层的研磨量优选为不超过硬质层的平均厚度的50％。作为用于对硬质层进行镜面研磨的方法，可以列举出使用金刚石浆料或者胶体二氧化硅而进行研磨的方法和离子研磨等。

此外，本发明的被覆切削工具的被覆层中的硬质层的粒子断面的面积在各方位差的区划中的合计(合计B)可以采用如下的方法求出。首先，准备上述的硬质层的镜面研磨面。使用扫描电子显微镜(SEM)或场致发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)等附带的电子背散射衍射图像装置(EBSD)，可以测定各粒子的断面的面积。使用EBSD来确定构成硬质层的粒子的各晶体的结晶方位，将确定的各结晶方位的粒子断面的面积分配给上述每隔5度的间距的区划。然后，求出该各区划中的粒子断面的面积的合计值(合计B)相对于上述合计A(100面积％)的比率。

更具体地说，可以采用以下的方法求出。将对硬质层进行镜面研磨而得到的试料设置在FE-SEM上。以70度的入射角、并用15kV的加速电压以及0.5nA的照射电流向试料照射电子束。优选对于30μm×50μm的测定范围，在0.05μm的步长这一EBSD的设定下，求出存在于该范围的粒子断面的方位差。对于被覆切削工具的参与切削的部位制作出研磨面，并就1个视场的所述30μm×50μm的测定范围进行测定。只要是所述参与切削的部位，各方位差的区划的粒子断面的面积的合计B就不会随着测定视场的位置的不同而有大的变化。

本发明的被覆切削工具的被覆层中的硬质层优选具有压缩应力。这是因为硬质层的韧性因压缩应力而得以提高，从而被覆切削工具的耐缺损性得以提高。特别地，硬质层的压缩应力进一步优选为0.2GPa～3GPa。如果压缩应力低于0.2GPa，则被覆切削工具的耐缺损性往往降低。另外，如果压缩应力超过3GPa，则被覆层自身有时从基材剥离。

此外，上述压缩应力可以通过使用X射线应力测定装置的sin²ψ法来进行测定。而且这样的压缩应力可以采用该sin²ψ法，对硬质层的参与切削的部位中包含的任意10点(这些点各自优选选择为相互离开0.5mm以上的距离，以便能够代表该部位的应力)的应力进行测定，并以其平均值的形式求出。

本发明的被覆切削工具的被覆层也可以仅由硬质层构成，但优选在基材和硬质层之间包含下部层。这是为了提高基材和硬质层的附着力。特别地，下部层优选具有用(Al_yL_1-y)N来表示的组成。这是因为被覆切削工具在耐磨性、与基材和硬质层的附着力的平衡方面为优良。此外，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si以及Y之中的至少1种元素。另外，y表示Al元素相对于Al元素和L元素的合计的原子比，并满足0.6≤y≤0.9。如果下部层包含L元素，则被覆切削工具的耐磨性具有提高的倾向。特别地，如果L元素为Ti或者Cr，则被覆切削工具的耐磨性得到进一步提高，因而是优选的。如果Al元素的原子比y低于0.6，则基材和被覆层的附着力具有降低的倾向。这是因为Al的含量减少。另外，如果原子比y超过0.9，则被覆切削工具的耐磨性具有降低的倾向。这是因为难以获得由包含L元素所产生的效果。

在本发明的被覆切削工具中，所述下部层的平均厚度优选为0.2μm～5μm。这是因为它显示出基材和被覆层的附着力得以提高的倾向。此外，关于下部层的平均厚度的求出方法，将在后面进行说明。

在本发明的被覆切削工具中，也可以在硬质层的表面形成上部层。上部层优选为由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y之中的至少1种元素、和选自C、N、B以及O之中的至少1种元素构成的化合物(但组成与硬质层不同)的单层或者多层。这是因为如果为这样的构造，则被覆切削工具的耐磨性优良。

在本发明的被覆切削工具中，将以上说明过的被覆层形成于基材上的方法并没有特别的限定。作为它的例子，可以列举出离子镀法、电弧离子镀法、溅射法、离子混合法等物理蒸镀法。即使在它们之中，也优选为电弧离子镀法。这是因为如果采用该方法形成被覆层，则被覆层和基材的附着力优良。

对于本发明的被覆切削工具的制造方法，使用具体例子进行说明。此外，本发明的被覆切削工具的制造方法只要能够实现该被覆切削工具的构成，就没有特别的限制。

将加工成工具形状的基材盛入物理蒸镀装置的反应容器内。进而将金属蒸发源设置在反应容器内。然后，对反应容器内抽真空，直至压力为1×10^-2Pa以下。接着，采用反应容器内的加热器进行加热，直至基材的温度达到200～800℃。加热后，向反应容器内导入Ar气，将其压力设定为0.5～5.0Pa。

在压力为0.5～5.0Pa的Ar气气氛下，对基材施加－200～－1000V的偏压，使反应容器内的钨灯丝流过5～20A的电流，从而对基材的表面进行采用Ar气的离子轰击处理。在对基材的表面进行离子轰击处理后，抽真空直至压力为1×10^-2Pa以下。

接着，根据需要进行加热，直至基材的温度达到300℃～500℃。将氮气等反应气体导入反应容器内，使反应容器内的压力为0.5～5.0Pa。

然后，进行形核(nucleation)工序。在该工序中，对基材施加－10～－80V的偏压，采用60～100A的电弧放电使与被覆层中的硬质层的金属成分相应的金属蒸发源蒸发。由此，在基材的表面以20～100nm的厚度分散形成硬质层的核。

此外，在以上说明过的形核工序中，通过反复进行金属蒸发源的蒸发和停止而使核的生长速度发生变化，从而可以分散形成微细的粒子的核和粗大的粒子的核。更具体地说，关于对与本发明的被覆切削工具中的硬质层的金属成分相应的金属蒸发源的电弧放电，交替进行0.5～2分钟的电弧放电和0.5～2分钟的电弧放电的停止。如果进行这样的间歇放电，则可以分散形成微细的粒子的核和粗大的粒子的核。此外，如果电弧放电的时间或者电弧放电的停止的时间中的任一种短于0.5分钟，则核的生长速度的变化较小，因而不能分散形成微细的粒子的核和粗大的粒子的核。另一方面，如果电弧放电的时间或者电弧放电的停止的时间中的任一种长于2分钟，则核的形成时间较长，其厚度将超过100nm，因而不是有益的。此外，硬质层的核的厚度可以由形核工序中的每单位时间的生长速度求出。

经过形核工序之后，如果进行成膜工序，则可以获得满足本发明的条件的硬质层，即在方位差为0度以上且低于15度的范围内，存在粒子断面的面积的合计B为最大的区划。在该工序中，对基材施加－40～－150V的偏压，采用80～150A的电弧放电使与各层的金属成分相应的金属蒸发源蒸发。由此，便形成硬质层。

为了增大所述硬质层中方位差在0度以上且低于15度的范围的硬质层的粒子断面的面积的合计的面积率(Sa)，可以形成上述说明过的规定的下部层，再在该下部层的表面形成硬质层的核。所述下部层由将Al元素相对于Al元素和L元素的合计的原子比设定为0.6以上的氮化物构成。

为了赋予本发明的被覆切削工具中的硬质层以规定的压缩应力，可以在成膜工序中，增大对基材施加的偏压的绝对值。更具体地说，如果对偏压为－40V和－100V的情况进行比较，则－100V的偏压的绝对值较大，因而对硬质层赋予的压缩应力在－100V时较大。

为了控制本发明的被覆切削工具的构成硬质层的粒子的平均粒径，在成膜工序中，可以调整基材的温度。在成膜工序中，如果升高基材的温度，则硬质层的粒子的平均粒径减小。因此，通过将成膜工序中的基材的温度设定为400℃～600℃，便可以使硬质层的粒子的平均粒径为200nm～600nm。

接着，就本发明的各层的厚度的求出方法等进行说明。

本发明的被覆切削工具的构成被覆层的各层(硬质层、下部层、上部层等)的厚度可以使用光学显微镜、扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等，从被覆切削工具的断面组织将其作为平均厚度进行测定。该平均厚度可以采用如下的方法求出。在从与金属蒸发源相对置的面的刀口朝向该面的中心部而距刀口为50μm的位置的附近，对3个部位以上的断面进行观察。对这些各断面中的各层的厚度进行测定。通过计算所得到的3个测定值的平均值，便可以求出平均厚度。

另外，本发明的被覆切削工具的构成被覆层的各层的组成可以使用能量分散型X射线分析装置(EDS)或波长分散型X射线分析装置(WDS)等由该工具的断面组织进行测定。

在本发明中，构成硬质层的粒子的平均粒径通过对硬质层的断面组织进行观察而求出。具体地说，如下所述。进行镜面研磨直至与基材的表面大致平行的面的硬质层的表面露出。或者，从上部层和硬质层的界面朝内部进行镜面研磨，直至硬质层的凹凸消失。将所得到的镜面研磨面设定为断面组织。在求出硬质层的粒子的平均粒径时，既可以观察硬质层的表面附近的断面组织，也可以观察硬质层的内部的断面组织。作为对硬质层进行镜面研磨的方法，可以列举出使用金刚石浆料或者胶体二氧化硅而进行研磨的方法和离子研磨等。采用FE-SEM、TEM、电子背散射衍射装置(EBSD)等对除直径100nm以上的小滴以外的断面组织进行观察。在所得到的图像中，将面积与构成硬质层的各粒子的面积相等的圆的直径设定为该粒子的粒径。在由硬质层的断面组织求出粒径时，也可以使用图像分析软件。此外，在硬质层的断面组织中，可以容易地区别直径100nm以上的小滴和小滴以外的部分。如果观察断面组织，则小滴呈圆形，在小滴的周围形成宽度为几nm～几十nm的空隙。另外，小滴在镜面研磨中有时从硬质层上脱落，在此情况下，在硬质层中产生圆形的孔。因此，在硬质层的断面组织中，可以容易地区别直径100nm以上的小滴和小滴以外的部分。求出除小滴以外的各粒子的粒径，将其平均作为本发明的构成硬质层的粒子的平均粒径求出。

此外，观察断面组织时的视场如后所述，例如30μm×50μm为1视场。只要是参与切削的部位，平均粒径就不会因观察的视场的位置的不同而有大的变化。

作为本发明的被覆切削工具的种类，具体地说，可以列举出铣削加工用或者车削加工用刀口更换型切削刀片(cutting insert)、钻头、立铣刀等。

实施例

作为基材，准备ISO标准CNMG120408刀片形状(insert shape)的与P20相当的硬质合金。在电弧离子镀装置的反应容器内，配置成为下述表1以及表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配件上。

然后，进行抽真空，直至反应容器内的压力达到5.0×10^-3Pa以下。在抽真空后，采用反应容器内的加热器进行加热，直至基材的温度为500℃。加热后，导入Ar气，使反应容器内的压力达到5.0Pa。

在压力为5.0Pa的Ar气气氛下，对基材施加－800V的偏压，使反应容器内的钨灯丝流过10A的电流，从而对基材的表面进行30分钟的采用Ar气的离子轰击处理。离子轰击处理结束后，进行抽真空，使反应容器内的压力达到5.0×10^-3Pa以下。

在抽真空后，将氮气导入反应容器内，从而设定成压力为2.7Pa的氮气气氛。

关于下述表1中记载的发明产品1～9，对基材施加－50V的偏压，并采用电弧电流为120A的电弧放电使成为表1所示的组成的金属蒸发源蒸发，从而形成下部层。

接着，对发明产品1～9实施形核工序。具体地说，进行如下的间歇放电，即对基材施加表3所示的偏压，对金属蒸发源交替进行下述表3所示的电弧放电和放电停止。由此，在下部层的表面分散形成所希望的厚度的硬质层的核。

对于下述表1中记载的发明产品10，不形成下部层而实施形核工序。也就是说，进行如下的间歇放电，即对没有形成下部层的基材施加表3所示的偏压，对金属蒸发源交替进行表3所示的电弧放电和放电停止。由此，在基材的表面分散形成所希望的厚度的硬质层的核。

经过形核工序之后，对于发明产品1～10，在表3所示的条件下进行成膜工序，从而形成硬质层。然后，对于发明产品1、3、4、6、7、9，对基材施加－50V的偏压，并采用电弧电流为120A的电弧放电，在表1所示的条件(组成和平均厚度)下形成上部层。

对于下述表2中记载的比较产品1～10，采用下述表4所示的条件使成为表2所示的组成的金属蒸发源蒸发，从而在基材上形成各层。

在基材的表面形成各层直至表1和表2所示的规定的厚度之后，切断加热器的电源，使试料温度达到100℃以下，然后从反应容器内取出试料(分别为发明产品1～10以及比较产品1～10)。

表4

得到的试料的各层的平均厚度采用如下的方法求出。也就是说，在从与被覆切削工具的金属蒸发源相对置的面的刀口朝向该面的中心部而距刀口为50μm的位置的附近，对3个部位的断面进行TEM观察，从而测定这些各断面的各层的厚度。通过计算所得到的3个测定值的平均值，便求出平均厚度。另外，对于得到的试料的各层的组成，在从与被覆切削工具的金属蒸发源相对置的面的刀口朝向该面的中心部直至50μm的位置的附近的断面，使用EDS进行了测定。这些结果也一并表示在上述表1以及表2中。此外，表1和表2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的各金属元素相对于全部金属元素的原子比。

对于得到的试料，用金刚石浆料从硬质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状。对于发明产品1、3、4、6、7、9，从上部层的表面向内部进行研磨，直至硬质层露出。而且对于硬质层具有凹凸的产品，进行镜面研磨直至凹凸消失。采用EBSD对成为镜面的硬质层的表面组织进行观察，从而测定出硬质层的粒子的平均粒径。EBSD进行如下的设定：步长：0.05μm，测定范围：30μm×50μm，并将方位差在5度以上的边界看作是晶界。将面积与硬质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，求出观察的视场中含有的晶粒的粒径，将其平均值作为硬质层的构成粒子的平均粒径。对于比较产品的平均粒径，就平均厚度最厚的层求出平均粒径。各试料的平均粒径的测定结果如下述表5所示。

表5

采用FE-SEM对得到的试料的硬质层的研磨面进行观察，使用FE-SEM附带的EBSD，对方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的合计面积A进行了测定。然后，对方位差在0度～35度的范围内的硬质层的粒子断面的面积以每隔5度的间距进行划分，从而求出各区划内存在的硬质层的粒子断面的面积的合计B。将这些各区划的合计B表示为相对于所述合计A(100面积％)的比率。对比较产品也同样地进行，不过是就平均厚度最厚的层求出方位差的各区划中的层的粒子断面的合计面积。以上的测定结果如下述表6所示。另外，由这样的测定所得到的发明产品6的图如图1所示，在图1中，横轴取5度的间距的区划，纵轴取其每一个间距的各区划中的硬质层的粒子断面的面积的合计B相对于所述合计A的比率(面积率)。关于比较产品2的同样的图如图2所示。

此外，基于EBSD的测定采用如下的方法进行。将对硬质层进行研磨而得到的试料设置在FE-SEM上。以70度的入射角、并用15kV的加速电压以及0.5nA的照射电流向试料照射电子束。在测定范围30μm×50μm、0.05μm的步长这一EBSD的设定下，对各粒子的方位差以及断面积进行了测定。测定范围内的硬质层的粒子断面的面积设定为与其面积相对应的像素的总和。在步长为0.01μm的情况下，每1个像素的面积为0.0065μm²。也就是说，硬质层的粒子基于方位差的每5度间距的各区划中的粒子断面的面积的合计B是对与各区划相符的粒子断面所占的像素进行合计、并换算成面积而求出的。然后，求出它相对于上述合计A(100面积％)的比率。

对于得到的试料，通过使用X射线应力测定装置的sin²ψ法，对硬质层的压缩应力进行了测定。压缩应力是对参与切削的部位中包含的任意10点的应力进行测定，将其作为平均值而求出的。对于比较产品的压缩应力，就平均厚度最厚的层同样地求出。其结果如下述表7所示。

表7

使用得到的试料，进行以下的切削试验1和切削试验2，对试料的耐缺损性和耐磨性进行了评价。

[切削试验1 耐缺损性评价]

被切削材料：S45C

被切削材料形状：φ105mm×220mm的圆柱(在长度方向开有2条沟槽)

切削速度：140m/min

进给量：0.4mm/rev

进刀量：1.5mm

冷却液：有

评价项目：将试料发生缺损(在试料的切削刃部产生缺陷)时设定为工具寿命，对从切削开始直至工具寿命的加工长度进行了测定。

[切削试验2 耐磨性评价]

被切削材料：S45C

被切削材料形状：φ105mm×220mm的圆柱

切削速度：220m/min

进给量：0.3mm/rev

进刀量：2.0mm

冷却液：有

评价项目：将最大后隙面磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命，对从切削开始直至工具寿命的加工时间进行了测定。

此外，对于切削试验1的直至工具寿命的加工长度，将5m以上评价为○，将3m以上且低于5m评价为△，将低于3m评价为×。另外，对于切削试验2的直至工具寿命的加工时间，将5min以上设定为○，将3min以上且低于5min设定为△，将低于3min设定为×。在该评价中，为(优)○＞△＞×(差)这样的等级。因此，具有○表示试料的切削性能优良。所得到的评价的结果如下述表8所示。

表8

根据表8的结果，发明产品的耐缺损性试验的评价以及耐磨性试验的评价均为○。另一方面，比较产品在耐缺损性试验的评价和耐磨性试验的评价的某一项中，有△或者×。由以上的结果可知：在发明产品的被覆切削工具中，不会降低耐磨性而使耐缺损性得以提高，由此，工具寿命得以延长。

产业上的可利用性

本发明的被覆切削工具由于耐磨性和耐缺损性优良，具有比以前更为延长的工具寿命，所以在产业上具有较高的可利用性。

Claims

1.一种被覆切削工具，其包含基材、和在该基材的表面形成的被覆层，其中，

所述被覆层包含组成用(Ti_xM_1-x)N来表示的硬质层，其中，M表示选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y之中的至少1种元素，x表示Ti元素相对于Ti元素和M元素的合计的原子比，并满足0.45≤x≤0.9；

构成所述硬质层的粒子的平均粒径为200nm～600nm；

2.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中，方位差在0度以上且低于15度的范围内的硬质层的粒子断面的面积的合计相对于所述合计A的比率Sa是55面积％≤Sa≤90面积％。

3.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层的平均厚度为0.5μm～10μm。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层具有压缩应力。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述硬质层具有0.2GPa～3GPa的压缩应力。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的被覆切削工具，其中，

所述被覆层在所述基材和所述硬质层之间具有下部层，

该下部层具有用(Al_yL_1-y)N来表示的组成，其中，L表示选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si以及Y之中的至少1种元素，y表示Al元素相对于Al元素和L元素的合计的原子比，并满足0.6≤y≤0.9。

7.根据权利要求6所述的被覆切削工具，其中，所述下部层的平均厚度为0.2μm～5μm。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层的总厚度为0.5μm～10μm。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种。