CN107206513B - 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中，硬质皮膜由一层或两层以上形成，其至少一层为由满足平均组成式：(Al1‑x‑yCrxSiy)(CzN1‑z)的Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，其中，x、y、z均为原子比，0.1≤x≤0.4、0.01≤y≤0.2、0≤z≤0.3，所述硬质包覆层包含由小于10原子％的非金属成分及金属成分构成的多个粒子，所述非金属成分选自C、N，所述金属成分选自Cr、Al、Si，所述多个粒子中，Al含量为50原子％以下，与工具基体的表面垂直的截面中长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的扁平粒子相对于所述多个粒子的总个数，以个数比例计在所述截面中占90％以上。

Description

表面包覆切削工具
技术领域
本申请发明涉及一种表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)，在例如合金工具钢等工件的铣削加工中提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐熔敷性，从而在长期使用中发挥优异的切削性能。
本申请主张基于2015年1月22日于日本申请的专利申请2015-010351号及2016年1月20日于日本申请的专利申请2016-8494号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
以往，例如如专利文献1所示，已知有如下表面包覆切削工具，在工具基体的表面形成有由组成式：(Al1-x-yCrxSiy)(N1-zCz)(其中，0.3≤x≤0.7、0≤y≤0.1、0≤z≤0.3)表示的平均层厚0.5～8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，硬质包覆层含有构成元素的90原子％以上为金属元素的粒子，所述粒子的截面长径为0.05～1.0μm,且在所述硬质包覆层中以3～20％的纵截面面积比率分散分布，所述粒子中，将构成元素中包含50原子％以上的Al，并且纵截面形状的长宽比为2.0以上且截面长径与基板表面所成的锐角为45°以下的粒子的纵截面面积比率设为A％，将其以外的粒子的纵截面面积比率设为B％时，满足0.3≤A/(A+B)，该表面包覆切削工具在碳钢、合金工具钢等的平面铣削加工中，发挥优异的耐缺损性、耐磨性。
而且，如专利文献2所示，已知有如下表面包覆切削工具，在工具基体的表面至少包覆形成有0.5～10μm层厚的由Al和Cr的复合氮化物层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，上述Al和Cr的复合氮化物层中分散分布有空孔及圆形颗粒，上述Al和Cr的复合氮化物层的任意截面中的上述空孔的占有面积率及上述圆形颗粒的占有面积率分别为0.5～1面积％及2～4面积％，另外，上述圆形颗粒中，Al含有比例高于上述Al和Cr的复合氮化物层的平均Al含量的富Al圆形颗粒，在上述Al和Cr的复合氮化物层的任意截面中占总圆形颗粒面积的20面积％以上，该表面包覆切削工具在碳钢、合金工具钢等的高速切削加工中，发挥优异的耐缺损性、耐磨性。
并且，如专利文献3所示，已知有如下立铣刀等表面包覆切削工具，在由Ti1-a- bAlaMb(CxN1-x)(其中，M为选自除了Ti的周期表4、5、6族元素、稀土元素及Si中的一种以上，0.40≤a≤0.65、0≤b≤0.5、0≤x≤1)构成的硬质包覆层的表面有多个大粒子突出，在与底刃及外周刃的刀刃连续的前刀面中，相对于基体与包覆层的界面的垂线方向在远离刀刃的方向上大粒子平均以5～20°的角度突出，通过大粒子倾斜突出，分散切屑的冲击，能够抑制大粒子脱落，从而提高耐崩刀性。
专利文献1：日本特开2013-46954号公报(A)
专利文献2：日本特开2012-166333号公报(A)
专利文献3：日本特开2008-238336号公报(A)
近几年的切削加工中强烈要求节省劳力化及节能化，伴随于此，逐渐在更加苛刻的条件下使用包覆工具，为了提高耐缺损性、耐磨性等，利用所述专利文献1～3所示的方法，逐渐完成包覆工具的性能提高，但耐缺损性的改善还不能说很充分。
即，专利文献1所示的表面包覆切削工具中，存在如下问题：构成硬质包覆层中所含有的粒子的元素的90原子％以上为金属元素，而且，构成元素的50原子％以上含有Al，因此粒子组成为富Al，从而熔点较低，无法确保高温强度，耐熔敷性变差。
并且，专利文献2所示的表面包覆切削工具中，存在如下问题：硬质包覆层中所存在的圆形颗粒的下部中形成有空隙，由于存在该空隙，因此施加外力时硬质包覆层的强度较弱，例如，切削加工时空隙变成龟裂的起点，变得容易发生崩刀。
而且，如专利文献3所示的表面包覆切削工具存在如下问题：高负载作用的切削条件下，从硬质包覆层的表面突出的多个大粒子脱落，这会成为龟裂发生的起点，因此无法发挥满意的耐崩刀性。
发明内容
因此，本申请发明的目的在于，提供一种即使在用于合金工具钢等的铣削加工的情况下，也发挥优异的耐崩刀性和耐熔敷性的表面包覆切削工具。
本申请发明者们根据前述的观点，对即使在用于需要耐磨性的同时需要耐崩刀性、耐熔敷性的铣削加工等加工方式的情况下，在长期使用中也发挥优异的切削性能的包覆工具进行了锐意研究的结果，得到了以下见解。
即，本申请发明者们发现了将具备具有以下结构的硬质包覆层的硬质皮膜包覆形成于工具基体表面的表面包覆切削工具在长期使用中发挥优异的切削性能。
该硬质包覆层为包含于硬质皮膜的层，由Al、Cr、Si的复合碳氮化物层(以下，以“(Al、Cr、Si)(C、N)层”表示)或复合氮化物层(以下，以“(Al、Cr、Si)N层”表示)构成，平均层厚为0.5～8.0μm。该硬质包覆层中包含多个粒子。并且，这些多个粒子中，构成元素的90原子％以上为选自Cr、Al、Si中的一种或两种以上的元素(小于10原子％的是选自C及N的一种以上的非金属元素)，构成元素的50原子％以下为Al，垂直于工具基体表面的纵方向截面中的长径小于0.5μm且纵截面形状的长宽比为2.0以上的粒子(以下，称为“扁平粒子”)相对于粒子总个数的个数比例占90％以上。
含有这种粒子(扁平粒子)的(Al、Cr、Si)(C、N)层、或(Al、Cr、Si)N层显示优异的耐崩刀性、耐熔敷性。作为其结果，包覆形成有包含该硬质包覆层的硬质皮膜的表面包覆切削工具在长期使用中发挥优异的切削性能。
而且，关于所述扁平粒子的各粒子，测定呈其截面长径的直线与基体表面所成的倾斜角度时，倾斜角度为45度以下，并且，将由呈长径的直线与硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A，将由该直线与基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于粒子总个数，以个数比例计优选占80％以上。含有这种粒子的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层显示更加优异的耐崩刀性、耐熔敷性，在长期使用中发挥更加优异的切削性能。
硬质包覆层使用PVD法能够成膜于由碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面。
例如，本申请发明中，能够使用在图1A及图1B中概略表示的电弧离子镀装置1来进行成膜。此时，除了设置控制整个炉的气氛温度的加热器6以外，优选在靶4A、4B的前面设置筒状加热器7，从而将靶前面的空间设为高温，由此能够防止从靶4A、4B产生的粒子在气氛中凝固，以高温状态附着于工具基体9，从而粒子因附着时的冲击而沿基体表面的形状变形。因此，粒子沿表面平滑的基体表面的形状变形，从皮膜的纵截面(与基体表面垂直的截面)观察时，成为沿基体表面的扁平形状，呈粒子的截面形状的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度被控制在45度以下。使Al含量为50原子％以下的粒子分散分布在硬质包覆层内，并且使粒子成为沿基体表面的长宽比较大的扁平形状，由此切削时的阻力变小，粒子不易脱落，并且即使在脱落的情况下向层厚方向的损伤也变小。其结果，能够提供耐崩刀性、耐熔敷性优异的硬质包覆层。
筒状加热器7以与其厚度方向所对应的靶4A、4B的使用面垂直的方式配置。并且，关于筒状加热器7，以靶4A、4B的使用面的中心与筒状加热器7的中心轴重叠的方式将筒状加热器7配置于靶4A、4B的前面。
筒状加热器7的后端(与所对应的靶对置，并靠近所对应的靶的一侧)与所对应的靶的使用面的距离设定在例如50mm以内。筒状加热器7的前端(与所对应的靶朝向相同的方向，并远离所对应的靶的一侧)与所对应的靶的使用面的距离例如设定为自靶到基体距离(配设在旋转台上的多个基体中，最接近的基体为止的距离)的2/3的长度。
并且，因来自筒状加热器7的辐射热产生的对皮膜的损伤能够通过在工具基体夹具8设置冷却机构来防止。通过使用具有这种机构的成膜装置来进行成膜，形成具备本申请发明的一方式的表面包覆切削工具所具有的特征的硬质皮膜。
而且，发现(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中的所述粒子的组成、截面长径、纵截面形状的长宽比、呈截面长径的直线与基体表面所成的角度为45度以下的粒子的由呈截面长径的直线与硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积A、由该直线与基体侧的粒子外周部包围的面积B的大小能够通过调整PVD装置内温度、靶的电弧电流、氮及甲烷的总计气体分压等而控制。
根据如以上的见解完成了本申请发明。另外，本申请发明并不限定于上述制造方法。
本申请发明是根据所述见解而完成的，具有以下方式。
(1)一种表面包覆切削工具，其在包含碳化钨基硬质合金的工具基体的表面形成有硬质皮膜，其特征在于，
(a)所述硬质皮膜由一层或两层以上形成，其至少一层为平均层厚0.5～8.0μm的由Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，该Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层满足平均组成式：(Al1-x-yCrxSiy)(CzN1-z)(其中，x、y、z均为原子比，0.1≤x≤0.4、0.01≤y≤0.2、0≤z≤0.3)，
(b)所述硬质包覆层包含由小于10原子％的非金属成分及金属成分构成的多个粒子，所述非金属成分由选自C及N的一种以上构成，所述金属成分为选自Cr、Al、Si的一种以上的元素，
(c)所述多个粒子中，Al含量为50原子％以下，与所述工具基体的表面垂直的截面中的长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的扁平粒子相对于所述多个粒子的总个数，以个数比例计在所述截面中占90％以上。
(2)如所述(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质皮膜相对于所述工具基体的表面垂直的截面中观察所述硬质包覆层中所含有的所述扁平粒子时，每个所述扁平粒子中，呈所述长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且将由所述直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A、将由所述直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于所述扁平粒子的总个数，以个数比例计占80％以上。
(3)如所述(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其中，所述硬质包覆层的平均层厚为0.7～7.5μm。
(4)如所述(1)至(3)中任一个所述的表面包覆切削工具，其中，所述硬质包覆层为所述硬质皮膜的最外层。
(5)如所述(1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述非金属成分的含量为0.5原子％以上且小于10原子％。
(6)如所述(1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述金属成分的Al含量为0.5原子％以上20原子％以下。
(7)如所述(1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述截面中的所述多个粒子在每单位面积的个数为1个/μm2～5个/μm2。
本申请发明的一方式的包覆工具(以下，称为“本发明的包覆工具”)为在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面通过物理蒸镀法包覆形成有硬质皮膜的表面包覆切削工具，其特征在于，(a)所述硬质皮膜由一层或两层以上形成，其至少一层为平均层厚0.5～8.0μm的由Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，该Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层满足平均组成式：(Al1-x-yCrxSiy)(CzN1-z)(其中，x、y、z均为原子比，0.1≤x≤0.4、0.01≤y≤0.2、0≤z≤0.3)，(b)所述硬质包覆层包含由小于10原子％的非金属成分及金属成分构成的多个粒子，所述非金属成分由选自C及N的一种以上构成，所述金属成分为选自Cr、Al、Si的一种以上的元素，(c)所述多个粒子中，Al含量为50原子％以下，与所述工具基体的表面垂直的截面长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的扁平粒子相对于所述多个粒子的总个数，以个数比例计在所述截面中占90％以上。通过具有该结构，本申请发明的表面包覆切削工具所具备的硬质皮膜显示优异的耐崩刀性、耐熔敷性。
而且，在所述硬质皮膜相对于所述工具基体的表面垂直的截面中观察所述Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层中所含有的所述多个粒子时，所述多个粒子各自的呈所述截面的长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且将由呈所述长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A、将由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于所述多个粒子的总个数，以个数比例计占80％以上，由此硬质皮膜显示更加优异的耐崩刀性、耐熔敷性。其结果，例如合金工具钢等的铣削加工中，在长期使用中发挥优异的切削性能。
附图说明
图1A是对本发明的包覆工具的硬质皮膜进行成膜的电弧离子镀装置的示意图，表示该电弧离子镀装置的俯视剖视图。
图1B是对本发明的包覆工具的硬质皮膜进行成膜的电弧离子镀装置的示意图，表示该电弧离子镀装置的纵剖视图。
图2A表示作为本发明的包覆工具的一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的TEM图像。
图2B表示作为本发明的包覆工具的一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的基于EDS的N映射图像。
图2C表示作为本发明的包覆工具的一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的基于EDS的Al映射图像。
图2D表示作为本发明的包覆工具的一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的基于EDS的Cr映射图像。
图2E表示作为本发明的包覆工具的一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的基于EDS的Si映射图像。
图3A是对存在于作为本发明的包覆工具的一例的本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面的粒子进行组成分析时所获取的图像，表示粒子及测定部位。
图3B表示图3A所示的粒子的测定部位中的EDS组成分析结果。
具体实施方式
关于本申请发明，以下进行详细说明。
由(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层：
由(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层中，作为其构成成分的Al成分提高高温硬度和耐热性，Cr成分提高高温强度，并且，Si成分提高耐氧化性。而且，通过Al和Cr共存具有提高高温耐氧化性的作用。
但是，在(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中，若Cr在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例x小于0.1，则Al含量相对变高，因此在熔敷性较高的工件的铣削切削加工中，无法确保对工件及切屑的耐熔敷性，并且高温强度也降低，因此容易发生熔敷、崩刀。另一方面，若Cr在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例x超过0.4，则利用PVD法对硬质包覆层进行成膜时，靶材的熔点变高，因此附带生成的球状的粒子成为高Cr浓度，与Cr在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例x为0.4以下的粒子相比，熔点相对变高。因此，从靶产生的粒子附着于皮膜后，直到固着为止夺取的热量较少，因此以保持球状形状的状态固着。通过在其上堆积皮膜，粒子下部残留空隙。由于该空隙存在，从而切削加工时空隙成为起点发生龟裂，容易发生崩刀。
因此，Cr在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例x设为0.1以上0.4以下。优选含有比例x为0.15～0.37，更优选0.2～0.3，但并不被这些特别限定。
另外，金属成分与非金属成分之比并不限定于化学计量比的1:1，只要维持与1:1的情况相同的结晶结构，则能够得到本申请发明的效果。
并且，Si在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例y小于0.01时，不仅耐氧化性提高效果较少，Cr含有比例相对变高，因此粒子的熔点变高，如前所述(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中所含有的粒子下部形成有空隙，耐崩刀性提高效果较少。另一方面，若Si在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例y超过0.2，则(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的高温韧性、高温强度下降，因此Si在Al、Cr、Si的总量中所占的含有比例y设为0.01以上0.2以下。优选含有比例y为0.07～0.2，更优选为0.1～0.15，但并不被这些特别限定。
而且，若C在C与N的总量中所占的含有比例z超过0.3，则硬质包覆层的硬度过大，因此切削加工中耐崩刀性下降。因此，C在C与N的总量中所占的含有比例z设为0.3以下。优选为0～0.2，但并不被这些特别限定。
若硬质包覆层的层厚小于0.5μm，则切削初期以后硬质包覆层的消失较快，无法发挥充分的耐磨性，另一方面，若超过8.0μm，则蓄积在(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的压缩残余应力变大，因此刀尖棱线部上的硬质包覆层对切削加工时的外力较敏感，在切削初期容易发生崩刀。或者，皮膜自己破坏。
因此，(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的平均层厚设为0.5μm以上8.0μm以下。优选(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的平均层厚为0.7μm～7.5μm，但并不被这些特别限定。
粒子的结构：
本申请发明的硬质包覆层中所包含的多个粒子是指由小于10原子％的非金属成分(即，C、N中的至少一种以上)和作为其他成分的金属成分(Cr、Al、Si中的一种或两种以上)构成的块。
所述非金属成分的含量优选0.5原子％以上且小于10原子％。并且，包含于硬质包覆层的多个粒子中除了所述非金属成分及金属成分以外还可以混入微量的不可避免的杂质。但是，该不可避免的杂质的混入仅限于对包含该硬质包覆层的硬质膜的耐崩刀性及/或耐熔敷性不产生显著的影响的情况。
关于粒子中的Al的含有比例，通过PVD法对(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层进行成膜时，主要将成膜时的氮及甲烷的总计气体分压控制在4～10Pa的范围内，由此能够将粒子中的Al的含量设为50原子％以下。
若粒子中的Al的含量超过50原子％，则熔点比(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层更低的粒子存在于层中，因该部位的存在而无法保持高温强度，因此容易发生熔敷。
因此，多个粒子(扁平粒子)中的Al的含量设为50原子％以下。优选粒子中的Al的含量为0.5～50原子％，更优选为0.5～20原子％，但并不被这些特别限定。
本发明的包覆工具所具有的硬质皮膜中所包含的硬质包覆层(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中的粒子，若垂直于该工具基体表面的截面中的长径成为0.5μm以上，则硬度相对较小的粒子广泛存在于层中，(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的硬度下降，其结果，无法充分确保切削加工时的耐磨性。
并且，若本发明的包覆工具所具有的硬质皮膜中所包含的硬质包覆层(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中的粒子的长宽比小于2.0，则利用PVD法对硬质包覆层进行成膜时的粒子的形状几乎成为球状，因此导致该球状的粒子下部形成有空隙，该空隙成为切削加工时的龟裂发生的起点，降低耐崩刀性。
因此，本发明的包覆工具所具有的硬质皮膜中所包含的硬质包覆层(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中的粒子的截面长径设为小于0.5μm，并且粒子的长宽比设为2.0以上。
但是，无需所有粒子中的Al的含量为50原子％以下，并且其截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上，只要满足如下条件，就能够得到本申请发明中作为目的的耐崩刀性、耐熔敷性，所述条件为全体粒子中，粒子中的Al的含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子(扁平粒子)相对于粒子总个数，以个数比例计占90％以上。
本申请发明的表面包覆工具的硬质包覆层中所包含的粒子的截面长径定义为，对垂直于基体表面的皮膜截面中的粒子的截面形状进行了测定时，只能够在粒子内画出的直线且最长的直线。即，暂时画出粒子之外的直线不使用于粒子的截面长径的确定。
而且，本申请发明的表面包覆工具的硬质包覆层中所包含的粒子的长宽比是指，垂直于基体表面的皮膜截面中，将与呈上述截面长径的直线正交的粒子宽度的最大值设为粒子的截面短径时，截面长径/截面短径的值。
本申请发明中，硬质包覆层中所含有的全体粒子中，关于除了Al的含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上这样的条件以外，还有呈粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下的粒子，将由呈该长径的直线与硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A，将由该直线与工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于粒子总个数，以个数比例计占80％以上的情况下，发挥更加优异的耐崩刀性。
这基于如下理由。
即，随着切削加工时发生硬质包覆层的磨损，粒子(扁平粒子)暴露在硬质包覆层表面，与硬质包覆层相比，粒子的硬度较小，因此与硬质包覆层相比，在粒子部磨损进行得较快。因此，与硬质包覆层相比，粒子部以深深挖下去的方式进行磨损，从而形成凹部。此时，若呈粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度超过45度或者A≤B，则所形成的凹部的深度相对变深，因切削产生的剪切方向的应力集中在凹部的深处，成为硬质皮膜中出现龟裂的起点，容易发生崩刀。但是，若呈粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下且A＞B，则所形成的凹部的深度相对较小，因此难以产生切削时剪切力的集中，抑制崩刀的发生。
因此，本申请发明中，呈粒子(扁平粒子)的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且将由呈该长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A，将由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于粒子总个数，以个数比例计优选占80％以上，由此，更加提高耐崩刀性、耐熔敷性，发挥优异的切削性能。
硬质包覆层及包含于硬质包覆层的粒子的组成能够通过使用透射电子显微镜-能量分散型X射线分光分析(TEM-EDS)，进行垂直于工具基体表面的硬质包覆层截面的组织观察与组成分析来得到。此时的观察范围在与工具基体表面平行的方向上设为20μm。并且，对硬质包覆层截面进行0.01μm以下的空间分辨率的元素映射，由此能够确认例如已包覆的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的组成在规定的范围内。同时通过膜截面中的点分析能够分析粒子的组成。
各粒子的长宽比能够以如下方式获得。首先，将粒子的截面中的最大径设为截面长径，将与呈该截面长径的直线正交的粒子宽度的最大值设为粒子的截面短径。接着，求出关于各粒子的截面长径、截面短径，并且根据截面长径、截面短径求出各粒子的长宽比(＝截面长径/截面短径)。
Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子的个数比例能够以如下方式获得。关于成为测定对象的包覆工具，与上述分析同样地分析硬质包覆层截面。首先，对观察范围内(5μm×5μm)存在的粒子的总个数通过利用了TEM-EDS的N映射图像来进行计数。接着，对如下粒子的个数进行计数，即在全体粒子中，构成粒子的构成元素的90原子％以上为选自Cr、Al、Si中的一种或两种以上的元素，并且Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子。根据这些粒子数的计数结果，计算出相对于全体粒子的Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子(扁平粒子)的个数比例。另外，该粒子的每单位面积的个数优选1个/μm2～5个/μm2。
关于观察范围内存在的所有粒子，求出呈各金属粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度，并且关于该角度为45度以下的粒子，求出由呈各粒子的截面长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积A、及由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积B，比较A与B，计算出A＞B的粒子的个数比例。另外，计算面积A及面积B的方法如下。使用拍摄了各粒子的TEM―EDS映射图像。通过使用分析了氮量的映射图像，能够区分粒子与硬质包覆层的边界。选择粒子的外周部，所包围的面积能够使用图像分析软件(例如Adobe photoshop等)来计算。将计算出的面积设为A。并且，选择粒子的截面长径及工具基体侧的粒子外周部，关于所包围的面积使用图像分析软件来计算，将其设为面积B。在各粒子中实施本方法，计算A＞B的粒子的个数比例。
接着，通过实施例对本申请发明的包覆工具进行具体说明。
实施例
作为原料粉末，准备具有平均粒径：5.5μm的中等粗粒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[以质量比计，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，而且添加蜡在丙酮中进行24小时球磨混合，并进行减压干燥之后，以100MPa的压力冲压成型成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至1370～1470℃范围内的规定温度，以该温度保持1小时之后，在炉冷的条件下进行烧结，形成直径为8mm的工具基体形成用圆棒烧结体，并且根据所述圆棒烧结体，通过磨削加工，分别制造出刀刃部的直径×长度为6mm×13mm的尺寸，以及螺旋角30度的具有双刃球形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)A～E。
接着，将这些工具基体A～E装入图1A及图1B所示的电弧离子镀装置中，并以如下条件实施Ar轰击。
首先，排出装置内的气体并保持在0.1Pa以下的真空，并且利用加热器将装置内加热至500℃之后，设为Ar气体压力：0.5～1.0Pa的气氛，并且在电流50～60A的条件下对钨丝重复3次1分钟的轰击处理，去除不可避免地附着于工具基体表面的有机物等污染物。
接着，同样使用在表2所示的组成的靶，并在与表2相同的成膜条件下蒸镀形成规定层厚的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层，由此制作了本发明包覆工具1～10。
表2的成膜条件中，将装置内的温度设为比以往(500℃)更高的目的在于，延长飞散的粒子附着于硬质包覆层之后，直到粒子的温度降低至熔点以下的时间，并且是为了由此容易形成长宽比为2.0以上的粒子。
并且，将氮及甲烷的总计气体分压设在4～10Pa的范围内，其理由在于，氮及甲烷的总计气体分压小于4Pa时，电弧斑点的移动速度相对较慢，容易产生截面长径为0.5μm以上的粒子，该粒子与(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层相比，氮化程度相对较少且硬度较小，因此作为整个硬质皮膜的硬度变小且切削加工时耐磨性下降。另一方面，若氮及甲烷的总计气体分压超过10Pa，则电弧斑点的运动不稳定且成膜本身变得困难。
另外，将装置内的温度设为比以往(500℃)更高时，通过在靶前面设置筒状加热器而使靶前面的空间设为高温也是有效的。由此能够防止从靶产生的粒子在气氛中凝固，粒子附着于工具基体时沿工具基体的形状变形。由来自筒状加热器的辐射热产生的对皮膜的损伤能够通过在工具基体用夹具设置冷却机构来防止。加热靶前面的空间的筒状加热器从靶观察时，向基板方向延伸，长度优选加热器的前端位于靶-工具基体间距离的2/3～3/4左右的位置。若过长，则对皮膜造成由辐射热产生的损伤，另一方面，若过短，则存在于靶前面的高温的空间变狭小，因此导致粒子附着于工具基体之前就凝固。为了对靶前面的空间进行适当加热，设置位置优选从靶表面为50mm以内的位置，例如，可以设置在阳极电极的前面等。工具基体的冷却机构例如有使冷却水在工具基体用夹具流动来进行冷却的方法。
关于所述本发明包覆工具1～10的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层，使用透射电子显微镜-能量分散型X射线分光分析(TEM-EDS)来进行垂直于工具基体表面的硬质包覆层截面的组织观察和组成分析。各本发明包覆工具中的观察范围在与工具基体表面平行的方向上设为20μm。对硬质包覆层截面进行0.01μm以下的空间分辨率的元素映射，确认已包覆的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层的组成在规定范围内，同时通过膜截面中的点分析来对粒子的组成进行了分析。
接着，将粒子的截面中的最大径设为截面长径，将与呈该截面长径的直线正交的粒子宽度的最大值设为粒子的截面短径，关于各粒子，求出截面长径、截面短径，并且根据截面长径、截面短径来求出各粒子的长宽比(＝截面长径/截面短径)。
并且，对存在于各本发明包覆工具的观察范围内的粒子的总个数、及构成粒子的构成元素的90原子％以上为选自Cr、Al、Si中的一种或两种以上的元素，并且Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子的个数进行计数，由此计算出Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子的个数比例。
而且，关于存在于观察范围内的所有粒子，求出呈各金属粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度，并且关于该角度为45度以下的粒子，求出由呈各粒子的截面长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积A、及由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积B，比较A和B，计算A＞B的粒子的个数比例。另外，计算面积A及面积B的方法如下。使用拍摄了各粒子的TEM―EDS映射图像。通过使用分析了氮量的映射图像，能够区分粒子与硬质包覆层的边界。选择粒子的外周部，所包围的面积能够使用图像分析软件(例如，Adobe Photoshop等)来计算。将计算出的面积设为A。并且，选择粒子的截面长径及工具基体侧的粒子外周部，关于所包围的面积使用图像分析软件来计算，将其设为面积B。在各粒子中实施本方法，计算出A＞B的粒子的个数比例。
在表3分别示出这些测定值、计算值。
图2A～图2E中示出作为一例对本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面进行了测定的TEM-EDS映射图像。
并且，图3A及图3B中示出作为一例对存在于本发明包覆工具8的(Al0.63Cr0.27Si0.10)N层的截面的粒子进行了测定的组成分析结果。
接着，以比较为目的，使用所述电弧离子镀装置，在与实施例相同的条件下，对工具基体A～E的表面实施Ti轰击，接着，在表4所示的条件下，蒸镀形成分散分布有粒子的规定层厚的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层，由此制作了比较包覆工具1～10。
关于比较包覆工具1～10的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层，也通过TEM-EDS来观察其截面，通过膜截面中的点分析来对粒子的组成进行分析，对粒子中，Al含量为50原子％以下，截面长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的粒子在粒子总个数中所占的个数比例进行测定，并且，关于存在于测定范围内的粒子，求出呈各粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度，并且关于该角度为45度以下的粒子，求出由呈各粒子的截面长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积A、及由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积B，比较A对象与B对象，计算出A＞B的粒子在存在于测定范围内的所有粒子中所占的个数比例。
在表5中分别示出这些值。
并且，使用扫描型电子显微镜(SEM)来对本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10的硬质皮膜的层厚进行了测定时，均表示出与表3、表5中示出的目标层厚实质上相同的平均层厚。
[表1]
[表2]
[表3]
※2：意味着为权利要求2的范围外。
[表4]
[表5]
※1：意味着为权利要求1的范围外。
※2：意味着为权利要求2的范围外。
接着，对所述本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10，在以下所示的条件下，实施铣削切削加工试验，测定了刀刃的后刀面磨损宽度。
工件：JIS·SKD61(HRC52)的块材
旋转速度：17000/min.、
切削速度：300m/min.、
切削深度：ap 2.0mm、ae 0.3mm
进给速度(每1刃)：0.06mm/刃、
切削油剂：空气、
切削长：300m、
在表6中示出所述切削试验的结果，并且示出有无崩刀、熔敷的发生。
[表6]
比较包覆工具栏的切削试验结果表示，因崩刀、熔敷原因而达到寿命的切削长(m)，或者后刀面磨损量超过0.2mm时的切削长(m)。
根据表3、6所示的结果，关于本发明的包覆工具1～10，在硬质皮膜的(Al、Cr、Si)(C、N)层或(Al、Cr、Si)N层中存在构成元素的90原子％以上为选自Cr、Al、Si中的一种或两种以上的元素的粒子，并且，该粒子中，Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，而且长宽比为2.0以上的粒子在粒子总个数中所占的个数比例为90％以上，因此铣削加工中显示优异的耐崩刀性、耐熔敷性，并且显示优异的耐磨性。
并且，关于本发明的包覆工具1～3、5～10，所述粒子中，呈粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且将由呈该长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A，将由该直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子以在粒子总个数中所占的个数比例计为80％以上，因此铣削加工中显示更加优异的耐崩刀性、耐熔敷性，其结果，经长期显示优异的耐磨性。
相对于此，比较包覆工具1～6、8中明确，虽在硬质皮膜中形成有粒子，但该粒子中，Al含量为50原子％以下，并且截面长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的粒子的个数比例脱离本申请发明中规定的范围，因此在铣削加工中，因崩刀、熔敷等的发生而在短时间内达到寿命。而且，比较包覆工具1、2、5、6、8中明确，呈粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且由呈该长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积A与由呈该长径的直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积B不满足A＞B的关系，因此在铣削加工中，因崩刀、熔敷等的发生而进一步在短时间内达到寿命。
并且，比较包覆工具7、9、10中明确，虽在硬质包覆层中形成有粒子，但硬质包覆层的组成或层厚脱离本申请发明中规定的范围，因此在铣削加工中，因崩刀的发生而在短时间内达到寿命。
产业上的可利用性
如前述，本发明的包覆工具在例如碳钢、合金工具钢等工件的高速切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐熔敷性，能够延长使用寿命，当然在其他工件的切削加工、其他条件下的切削加工中，也能够使用。
并且，所述实施例中，用由一层构成的硬质皮膜进行了说明，但即使在硬质皮膜由两层以上构成的情况下，只要至少一层为所述实施例中所述的皮膜，则同样起到效果。
符号说明
1-电弧离子镀装置，2-旋转台，3-电磁线圈，4A-阴极电极(AlCrSi合金)，4B-阴极电极(靶)(AlCrSi合金或下部层成膜用靶)，5-阳极电极，6-加热器，7-筒状加热器，8-工具基体用夹具，9-基体，10-冷却水，11-电弧电源，12-偏置电源，13-反应气体，14-排气，15-粒子，16-测定部位，W1-从靶表面到筒状加热器前端面的距离(例如靶-基板距离的2/3左右的长度)，W2-从靶表面到筒状加热器后端面前的距离(例如50mm以内)。

Claims (8)

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形成有硬质皮膜，其特征在于，
(a)所述硬质皮膜由一层或两层以上形成，其至少一层为平均层厚0.5～8.0μm的由Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层构成的硬质包覆层，该Al、Cr、Si的复合氮化物层或复合碳氮化物层满足平均组成式：(Al1-x-yCrxSiy)(CzN1-z)，其中，x、y、z均为原子比，0.1≤x≤0.4、0.01≤y≤0.2、0≤z≤0.3，
(b)所述硬质包覆层包含由小于10原子％的非金属成分及金属成分构成的多个粒子，所述非金属成分由选自C及N的一种以上构成，所述金属成分为选自Cr、Al、Si的一种以上的元素，
(c)所述多个粒子中，Al含量为50原子％以下，与所述工具基体的表面垂直的截面中的长径小于0.5μm，并且长宽比为2.0以上的扁平粒子相对于所述多个粒子的总个数，以个数比例计在所述截面中占90％以上。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质皮膜相对于所述工具基体的表面垂直的截面中观察所述硬质包覆层中所含有的所述扁平粒子时，每个所述扁平粒子中，呈扁平粒子的截面长径的直线与工具基体表面所成的角度为45度以下，并且将由所述呈扁平粒子的截面长径的直线和硬质皮膜表面侧的粒子外周部包围的面积设为A、将由所述呈扁平粒子的截面长径的直线和工具基体侧的粒子外周部包围的面积设为B时，A＞B的粒子相对于所述扁平粒子的总个数，以个数比例计占80％以上。
3.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其中，
所述硬质包覆层的平均层厚为0.7～7.5μm。
4.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其中，
所述硬质包覆层为所述硬质皮膜的最外层。
5.根据权利要求3所述的表面包覆切削工具，其中，
所述硬质包覆层为所述硬质皮膜的最外层。
6.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，
所述非金属成分的含量为0.5原子％以上且小于10原子％。
7.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，
所述金属成分的Al含量为0.5原子％以上20原子％以下。
8.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，
所述截面中的所述多个粒子在每单位面积的个数为1个/μm2～5个/μm2。
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