CN108349015A - 表面包覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

在本发明的表面包覆切削工具中，在由碳化钨基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体及高速工具钢中的任一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层，关于下部层，在由组成式：(Al1‑α‑βTiαSiβ)N表示的情况下，由满足0.3≤α≤0.5、0.01≤β≤0.10的复合氮化物层构成，其中，α、β均为原子比，关于上部层，在由组成式：(Al1‑a‑b‑cCraSibCuc)N表示的情况下，由满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05且以六方晶结构为主体的晶体构成，其中，a、b、c均为原子比，对该上部层通过X射线衍射求出的存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度为1.0°～3.5°。

Description

表面包覆切削工具
技术领域
本申请发明涉及一种在淬火钢等高硬度材料的切削加工中，硬质包覆层也不会引起剥离等而发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且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，称为包覆工具)。
本申请主张基于2015年10月28日于日本申请的专利申请2015-211484号及2016年10月26日于日本申请的专利申请2016-209195号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
一般，作为包覆工具，已知有在各种钢或铸铁等工件材料的旋削加工或平面铣削加工中装卸自如地安装在车刀的前端部来使用的可转位刀片、所述工件材料的钻孔切削加工等中所使用的钻头或小型钻头、所述工件材料的端面切削或槽加工、台肩加工等中所使用的立铣刀、所述工件材料的齿形的切齿加工等中所使用的整体滚刀、刨齿刀等。
并且，以改善包覆工具的切削性能为目的，以往提出了各种建议。
例如，如专利文献1所示，提出有在碳化钨(以下，由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下，由TiCN表示)基金属陶瓷等工具基体的表面包覆一层以上立方晶结构的硬质层，所述立方晶结构由以Cr、Al及Si为主要成分的金属成分以及选自由C、N、O、B中的至少一种以上元素构成，由此改善了耐缺损性、耐磨性的包覆工具。
并且，专利文献2中提出有以下内容，即，在基体表面，在至少包覆一层含Si、B的皮膜的包覆工具中，将含Si、B的皮膜作为晶相与非晶相的混合相，且将包含于晶相内的晶粒的最小晶体粒径设为0.5nm以上且小于20nm，由此不牺牲含Si的耐磨皮膜的高硬度而抑制因过剩残余压缩应力而引起的脆化，并改善含Si的耐磨皮膜的韧性，该含Si、B的皮膜作为金属元素包含选自周期表的4a、5a、6a族金属及Al中的一种以上的元素及Si元素，且作为非金属元素包含选自N、C、O、S中的一种以上的元素及B元素。而且，记载有由Cu置换小于10原子％皮膜成分，由此对改善抗氧化性有效的内容。
并且，专利文献3中记载有如下内容，即，在工具基体表面包覆硬质包覆层而成的包覆工具中，将硬质膜的至少一层设为(MaLb)Xc(其中，M表示选自Cr、Al、Ti、Hf、V、Zr、Ta、Mo、W、Y中的至少一种金属元素，L表示选自Mn、Cu、Ni、Co、B、Si、S中的至少一种添加元素，X表示选自C、N、O中的至少一种非金属元素，a表示相对于M与L的总计的M的原子比，b表示相对于M与L的总计的L的原子比，c表示相对于M与L的总计的X的原子比。并且，a、b、c分别满足0.85≤a≤0.99、0.01≤b≤0.15、a+b＝1、1.00＜c≤1.20。)，由此通过基于作为硬质膜的成分的Cu、Si等的晶粒的微细化、晶体稳定性，高温硬度变高、耐磨性提高，而且抗氧化性也提高。
并且，专利文献4中提出有在工具基体表面形成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成的组成(其中，M为选自Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y中的至少一种以上元素，a、b、c、x、y、z为原子比时，0≤a≤0.35、0≤b≤0.2、0.03≤a+b≤0.5、0≤c≤0.1，且以原子比计，满足0.9≤Al+Si+Mg、0≤x≤0.2、0≤y≤0.4、0.5≤z≤1、x+y+z＝1。)的硬质皮膜，由此改善了硬质皮膜的硬度、抗氧化性、韧性、耐磨性的包覆工具。并且，记载有在作为硬质皮膜成分而含有Cu的情况下，期待由晶粒的微细化产生的皮膜的高硬度化以及润滑作用。
而且，专利文献5中提出有在工具基体表面形成至少由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成的硬质包覆层，且通过满足组成式：[AlXCrYSiZ]N(以原子比计，0.2≤X≤0.45、0.4≤Y≤0.75、0.01≤Z≤0.2、X+Y+Z＝1)的(Al、Cr、Si)N层构成薄层A，通过满足[AlUTiVSiW]N(以原子比计，0.05≤U≤0.75、0.15≤V≤0.94、0.01≤W≤0.1、U+V+W＝1)的(Al、Ti、Si)N层构成薄层B，由此改善了高速切削加工中的耐缺损性、耐磨性的包覆工具。
专利文献1：日本专利第3781374号公报(B)
专利文献2：日本特开2004-34186号公报(A)
专利文献3：日本特开2008-31517号公报(A)
专利文献4：日本特开2008-73800号公报(A)
专利文献5：日本特开2009-39838号公报(A)
近年来，切削加工装置的高性能化很惊人，另一方面，相对于切削加工的节省劳力化及节能化，进一步低成本化的要求较强。并且，随此，切削加工逐渐趋于高速化、高效化。在将上述现有包覆工具使用于钢或铸铁等通常的切削条件下的切削加工中的情况下，虽然不会发生特别的问题，但将其使用于例如淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削加工中的情况下，无法抑制崩刀、缺损、剥离等的产生。并且，还促进磨损的进行。因此，现状是上述现有包覆工具在较短时间内达到使用寿命。
因此，本申请发明人等从如上所述观点考虑，为了开发在淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削加工条件下，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性及耐磨性的包覆工具，着眼于构成上述现有包覆工具的硬质包覆层的层形成材料及其晶体结构并进行研究的结果，得到了如下见解。
在专利文献1所示的以往包覆工具中，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si)N层的Al成分具有提高高温硬度的作用，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si)N层的Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用，并且在同时含有Al及Cr的状态下具有提高高温抗氧化性的作用，而且，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si)N层的Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用。然而，在伴有高热发生，而且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削条件下，无法避免崩刀、缺损等的产生，例如，即使欲通过增加含Cr的比例来实现高温韧性、高温强度的改善，也因Al含有比例相对减少而导致耐磨性降低。因此，由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层中的耐崩刀性及耐磨性的提高存在局限性。
并且，在专利文献2～4所示的以往包覆工具中，提出有作为硬质包覆层成分而含有Cu，且通过实现晶粒的微细化来提高耐磨性的建议，虽然耐磨性提高，但因韧性降低而无法抑制崩刀的产生，因此工具寿命仍较短。
而且，在专利文献5所示的以往包覆工具中，在通常的碳钢、合金钢等的切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐磨性，但在淬火钢等高硬度材料的切削中，不能说发挥能够在长期使用中令人充分满意的耐崩刀性、耐磨性。
发明内容
因此，本申请发明人发现了如下内容，即，作为由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层的成分而含有Cu，由此谋求基于晶粒微细化的耐磨性的提高，并且将硬质包覆层的晶体结构设为六方晶结构，由此提高硬质包覆层的韧性，而且，通过设置用于提高硬质包覆层与工具基体的密合强度的下部层，或者为了进一步提高密合强度，介于下部层-上部层之间而形成中间层，由此在淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削加工条件下，也不会产生剥离等而可实现兼备优异的耐崩刀性及优异的耐磨性。
本申请发明是根据上述见解而完成的，其具有以下方式。
(1)一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体及高速工具钢中的任一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层，该表面包覆切削工具的特征在于，
所述硬质包覆层至少由下部层及上部层构成，
(a)所述下部层由平均层厚为0.3～3.0μm的Al、Ti及Si的复合氮化物层构成，关于所述下部层，
在由组成式：(Al1-α-βTiαSiβ)N表示的情况下，
满足0.30≤α≤0.50、0.01≤β≤0.10(其中，α、β均为原子比)，
(b)所述上部层由平均层厚为0.5～5.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层构成，
关于所述上部层，
在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，
满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05(其中，a、b、c均为原子比)，
(c)所述上部层的晶体结构由六方晶结构构成，对该上部层通过X射线衍射求出的存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度为1.0°～3.5°。
(2)根据所述(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述(1)所述的表面包覆切削工具中，中间层介于所述下部层与上部层之间而形成，所述中间层由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成且总平均层厚为0.1～1.0μm，
(a)关于所述薄层A，
在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，
满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05(其中，a、b、c均为原子比)，且由单层平均层厚为0.005～0.10μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层构成，
(b)关于所述薄层B，
在由组成式：(Al1-α-βTiαSiβ)N表示的情况下，
满足0.30≤α≤0.50、0.01≤β≤0.10(其中，α、β均为原子比),且由单层平均层厚为0.005～0.10μm的Al、Ti及Si的复合氮化物层构成。
(3)根据所述(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述上部层在该层中含有六方晶结构的晶体的同时，含有立方晶结构的晶体。
(4)根据所述(1)至(3)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在将所述上部层的立方晶(200)面的衍射峰强度设为c(200)、将六方晶(110)面的衍射峰强度设为h(110)时，峰强度比c(200)/h(110)＜1。
接下来，对本申请发明的一方式的包覆切削工具(以下，称为“本申请发明的包覆切削工具”)进行详细的说明。
图1A表示本申请发明的包覆切削工具的概略纵剖面示意图，并表示本申请发明的包覆切削工具的一方式。并且，图1B表示本申请发明的包覆切削工具的概略纵剖面示意图，并表示本申请发明的包覆切削工具的另一方式。
图1A中，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面包覆形成有作为下部层的Al、Ti及Si的复合氮化物层(以下，有时还由“(Al、Ti、Si)N层”表示)，且在该下部层上作为上部层而包覆形成有Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层(以下，有时还由“(Al、Cr、Si、Cu)N层”表示)。
图1B中，在以图1A表示的介于下部层与上部层之间，形成有由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成的中间层，薄层A由与所述上部层相同成分组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成，并且，薄层B由与所述下部层相同成分组成的(Al、Ti、Si)N层构成。
构成下部层或者中间层的薄层B的Al、Ti及Si的复合氮化物层的组成：
构成下部层或者中间层的薄层B的Al、Ti及Si的复合氮化物层(以下，有时还由“(Al、Ti、Si)N层”表示)的组成式中的Al成分、Si成分提高下部层或者中间层的薄层B的耐磨性，并且，Ti成分改善下部层或者中间层的薄层B的高温韧性、高温强度。
而且，关于(Al、Ti、Si)N层，与工具基体及作为上部层或者中间层的薄层A的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层(以下，有时还由“(Al、Cr、Si、Cu)N层”表示)的密合强度优异，因此在切削加工时施加有较大的冲击性且机械性的负荷的情况下，提高硬质包覆层的耐剥离性。
然而，在表示Al、Ti及Si的总量中所占的Ti的含有比例的α值(原子比)小于0.3的情况下，无法期待高温韧性、高温强度的提高效果，另一方面，在α值大于0.5的情况下，因Al成分、Si成分的相对含有比例减少而无法确保最低所需要的高温硬度及高温抗氧化性。并且，在表示Al、Ti及Si的总量中所占的Si的比例的β值(原子比)小于0.01的情况下，无法确保最低所需要的规定的高温硬度、高温抗氧化性、耐热塑性变形性，因此成为耐磨性降低的原因，并且，若β值大于0.10，则可观察到耐磨性提高作用趋于降低趋势。
因此，将表示Ti的含有比例的α值(原子比)确定为0.30≤α≤0.50，并且，将表示Si的含有比例的β值(原子比)确定为0.01≤β≤0.10。
另外，对于上述α、β，尤其优选的范围为0.35≤α≤0.42、0.03≤β≤0.08。
构成上部层或者中间层的薄层A的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层的组成：
构成上部层或者中间层的薄层A的(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Al成分具有提高高温硬度的作用，构成上部层或者中间层的薄层A的(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用，并且在同时含有Al及Cr的状态下具有提高高温抗氧化性的作用，而且，构成上部层或者中间层的薄层A的(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用，并且，Cu成分具有通过实现晶粒的微细化来提高耐磨性的作用。
然而，在表示所述(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Cr的含有比例的a值(原子比)小于0.15的情况下，无法确保最低所需要的高温韧性、高温强度，因此无法抑制崩刀、缺损的产生，另一方面，若表示所述(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Cr的含有比例的a值大于0.40，则因Al的相对含有比例减少而促进磨损的进行，因此将a值确定为0.15～0.40。并且，在表示Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Si的含有比例的b值(原子比)小于0.05的情况下，无法期待基于耐热塑性变形性的改善带来的耐磨性的提高，另一方面，若表示Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Si的含有比例的b值大于0.20，则可观察到耐磨性提高效果趋于降低趋势，因此将b值确定为0.05～0.20。而且，在表示Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Cu的含有比例的c值(原子比)小于0.005的情况下，无法期待耐磨性的更进一步的提高，另一方面，若表示Al、Cr、Si及Cu的总量中所占的Cu的含有比例的c值大于0.05，则通过电弧离子镀(以下，由“AIP”表示)装置对(Al、Cr、Si、Cu)N层进行成膜时容易产生微粒，在施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削加工中的耐崩刀性降低，因此将c值确定为0.005～0.05。
另外，对于上述a、b、c，优选范围为0.15≤a≤0.25、0.05≤b≤0.15、0.01≤c≤0.03。
下部层的平均层厚：
若在工具基体表面上直接通过物理蒸镀来蒸镀形成由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层，则层内产生残余压缩应力，因此若在苛刻的切削加工条件下进行使用，则由于该压缩残余应力而工具基体-上部层间的密合力变得不稳定。因此，需要进一步提高工具基体表面与(Al、Cr、Si、Cu)N层之间的附着强度，因此，在工具基体表面作为下部层而形成(Al、Ti、Si)N层，由此提高附着强度较为有效。
在下部层的层厚小于0.3μm的情况下，无法得到密合力提高效果，另一方面，若层厚大于3.0μm，则因残余压缩应力的蓄积而容易产生裂纹，无法确保稳定的密合力，因此下部层的层厚确定为0.3～3.0μm，优选确定为0.5～2.0μm。
上部层的平均层厚：
关于由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层，在其平均层厚小于0.5μm的情况下，在长期使用中无法发挥优异的耐磨性，另一方面，若其平均层厚大于5.0μm，则容易产生崩刀、缺损，因此将由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层的平均层厚确定为0.5～5.0μm。
上部层的晶体结构：
在本申请发明中，在淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的切削加工条件下，为了实现兼备硬质包覆层的耐崩刀性及优异的耐磨性，将由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层的组成及层厚确定为如上所述，但除此以外，通过将该层的晶体结构设为六方晶而能够进一步提高耐崩刀性。
以往，已知有使用了AIP装置形成硬质皮膜，若将Al-Cr-Si-Cu合金作为靶，并在通常的条件下进行成膜，则所形成的(Al、Cr、Si、Cu)N层为立方晶结构的层，或者为以立方晶结构为主体的层。
因此，在本申请发明中，在使用将图2A及图2B所示的Al-Cr-Si-Cu合金用作靶的AIP装置6进行成膜时，在磁场中进行成膜，且控制施加于靶表面的最大磁通量密度，并且控制偏置电压，由此能够形成并非由立方晶结构而由六方晶结构的晶体构成的(Al、Cr、Si、Cu)N层。
例如，在施加于靶表面的最大磁通量密度为7～15mT(毫特斯拉)，并且，施加于工具基体的偏置电压为-75～-150V的范围内调整蒸镀条件，由此能够形成并非由立方晶结构而由六方晶结构的晶体构成的(Al、Cr、Si、Cu)N层。
并且，(Al、Cr、Si、Cu)N层的晶体结构由六方晶结构构成，由此不降低耐磨性而能够提高韧性，其结果，提高耐崩刀性。
本申请发明的包覆切削工具所具备的(Al、Cr、Si、Cu)N层能够以六方晶结构的晶体构成其全部，但即使在该层中含有微量立方晶结构的晶体，也不会对耐崩刀性、耐磨性带来不良影响。
但是，若通过X射线衍射得到的立方晶(200)面的衍射峰强度大于六方晶(110)面的衍射峰强度，则耐磨性得到提高，但耐崩刀性降低，因此优选将立方晶(200)面的衍射峰强度设为c(200)、六方晶(110)面的衍射峰强度设为h(110)时的峰强度比设为c(200)/h(110)＜1。
在该峰强度比小于0.05的情况下，为方便起见，将峰强度比写为“0”。
以下，包括(Al、Cr、Si、Cu)N层的晶体结构全部为六方晶结构的情况及(Al、Cr、Si、Cu)N层中微量含有立方晶结构的晶体的情况这两者在内，有时会表达为(Al、Cr、Si、Cu)N层的晶体结构以六方晶结构为主体。
并且，如图3所示，若进行本申请发明的包覆切削工具所具备的由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层的X射线衍射，则在2θ为55°～65°的范围内可观察到来自(110)面的六方晶结构特有的衍射峰。
并且，在该衍射峰为尖锐的情况下，即，在半值宽度小于1.0°的情况下，(Al、Cr、Si、Cu)N层的耐磨性降低，另一方面，峰较宽，半值宽度大于3.5°的情况下，(Al、Cr、Si、Cu)N层的耐崩刀性显示出降低趋势，因此将通过X射线衍射测定的2θ存在于55°～65°的范围内的来自(110)面的衍射峰的半值宽度设为1.0°以上且3.5°以下。
中间层的总平均层厚及薄层A、薄层B的单层平均层厚：
在本申请发明中，为了提高由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层与工具基体的密合强度，在工具基体表面形成由(Al、Ti、Si)N层构成的下部层，但为了进一步提高由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层与由(Al、Ti、Si)N层构成的下部层的密合强度，优选在介于上部层-下部层之间形成有由薄层A、薄层B的交替层叠构成的中间层。
在此，薄层A由与上部层相同成分组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成，并且，薄层B由与下部层相同成分组成的(Al、Ti、Si)N层构成。
在薄层A、薄层B各自的单层平均层厚小于0.005μm的情况下，不仅很难将各自的薄层作为规定组成的层来明确地形成，而且无法充分发挥基于薄层A的耐磨性提高效果、基于薄层B的高温韧性改善效果，另一方面，在薄层A、薄层B各自的层厚大于0.10μm的情况下，各自的薄层所具有的缺陷，即在薄层A的层厚大于0.10μm的情况下为强度不足，并且，在薄层B的层厚大于0.10μm的情况下，则耐磨性不足的问题会局部出现于层内，有时导致降低整个中间层，甚至整个硬质包覆层的特性，因此优选薄层A、薄层B各自的单层平均层厚设为0.005～0.10μm。
即，薄层B是为了补充薄层A所具有的特性中不充分的特性而设置的层，但只要薄层A、薄层B各自的层厚在0.005～0.10μm的范围内，则由薄层A及薄层B的交替层叠结构构成的硬质包覆层不会损害优异的高温硬度、高温抗氧化性、耐热塑性变形性，而会如同具备优异的高温韧性、高温强度的一个层一般发挥作用，而且，会提高上部层及下部层的密合强度，但若薄层A、薄层B的层厚大于0.10μm，则显现出薄层A的强度不足，并且，薄层B的耐磨性不足。
并且，关于由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成的中间层，在其总平均层厚小于0.1μm的情况下，无法发挥优异的特性，并且，若总平均层厚大于1.0μm，则容易产生崩刀、缺损，因此将由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成的中间层的总平均层厚优选设为0.1～1.0μm，更优选设为0.2～0.5μm。
本申请发明的包覆切削工具通过在由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层与工具基体之间设置由(Al、Ti、Si)N层构成的下部层来提高密合强度，或者在介于上述上部层与上述下部层之间形成有由薄层A与薄层B的交替层叠构成的中间层来进一步提高密合强度，并且，由六方晶结构主体的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成上部层，且对该包覆层进行X射线衍射的情况下，存在于2θ＝55°～65°的范围的(110)面的衍射峰的半值宽度为1.0°～3.5°，由此(Al、Cr、Si、Cu)N层具有优异的耐崩刀性及耐磨性。
因此，本申请发明的包覆切削工具在伴有高热发生，且对于切削刃施加较大的冲击性且机械性的负荷的淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工中也不会产生剥离等问题，从而长期发挥优异的耐崩刀性及耐磨性。
附图说明
图1A表示本申请发明的包覆切削工具的概略纵剖面示意图，且表示本申请发明的包覆切削工具的一方式。
图1B表示本申请发明的包覆切削工具的概略纵剖面示意图，且表示本申请发明的包覆切削工具的另一方式。
图2A为形成本申请发明的包覆切削工具所具备的(Al、Cr、Si、Cu)N层时所使用的电弧离子镀装置的概略俯视图。
图2B为形成本申请发明的包覆切削工具所具备的(Al、Cr、Si、Cu)N层时所使用的电弧离子镀装置的概略主视图。
图3表示对本申请发明的包覆切削工具所具备的(Al、Cr、Si、Cu)N层进行测定而得到的X射线衍射图的一例。
具体实施方式
接下来，通过实施例对本申请发明的包覆切削工具更具体地进行说明。
另外，作为实施例，对将WC基硬质合金用作工具基体的情况进行了说明，但在将TiCN基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、高速工具钢用作工具基体的情况下也是同样的。
实施例1
作为原料粉末，准备平均粒径为5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径为0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径为1.3μm的TaC粉末、平均粒径为1.2μm的NbC粉末、平均粒径为1.2μm的ZrC粉末、平均粒径为2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径为1.5μm的VC粉末、平均粒径为1.0μm的(Ti、W)C[以质量比计，TiC/WC＝50/50]粉末及平均粒径为1.8μm的Co粉末，并将这些原料粉末分别配合成表1所示的配合组成，进一步添加石蜡并在丙酮中球磨混合24小时，在进行减压干燥之后，以100Mpa的压力挤压并冲压成型为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成1370℃～1470℃的范围内的规定的温度，并保持1小时该温度之后，在炉冷的条件下进行烧结，形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体，进一步通过磨削加工，由所述圆棒烧结体分别制造了以切削刃部的直径×长度为6mm×12mm的尺寸，且螺旋角为30度的具有双刃球形形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)1～3。
(a)将上述工具基体1～3各自在丙酮中进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图2A及图2B所示的AIP装置6的旋转台2上的中心轴沿半径方向隔开规定距离的位置，沿外周部进行安装，在AIP装置6的一侧配置由规定组成的Al-Ti-Si合金构成的靶(阴极电极)9，在另一侧配置由规定组成的Al-Cr-Si-Cu合金构成的靶(阴极电极)5，
(b)首先，一边将装置内进行排气来保持真空，一边通过加热器1将工具基体3加热至400℃之后，一边在所述旋转台2上进行自转，一边对进行旋转的工具基体3施加-1000V的直流偏置电压，且在Al-Ti-Si合金阴极电极9与阳极电极10之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而对工具基体表面进行轰击清洗，
(c)接着，作为反应气体，在装置内导入氮气来作为表2所示的氮气压力，并且一边在所述旋转台2上进行自转，一边将进行旋转的工具基体3的温度维持在表2所示的温度范围内，并且施加表2所示的直流偏置电压，且在所述Al-Ti-Si合金靶9与阳极电极10之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而在所述工具基体3的表面蒸镀形成表3所示的组成及目标平均层厚的由(Al、Ti、Si)N层构成的下部层LL，
(d)接着，在所述Al-Cr-Si-Cu合金靶的表面施加表2所示的控制成最大磁通量密度的各种磁场，并在装置内作为反应气体导入氮气来设为表2所示的氮气压力，并且一边在所述旋转台2上进行自转，一边将进行旋转的工具基体3的温度维持为表2所示的温度范围内，并且施加表2所示的直流偏置电压，且在所述Al-Cr-Si-Cu合金靶5与阳极电极7之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而在所述工具基体3的表面蒸镀形成表3所示的组成及目标平均层厚的由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层，
由此分别制造了表3所示的作为本申请发明的包覆切削工具的表面包覆立铣刀1～10(以下，称为本发明1～10)。
实施例2
将在实施例1中所制作的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)1～3各自在丙酮中进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图2A及图2B所示的AIP装置的旋转台上的中心轴沿半径方向隔开规定距离的位置，沿外周部进行安装，在AIP装置6的一侧配置由规定组成的Al-Ti-Si合金构成的靶(阴极电极)9，在另一侧配置由规定组成的Al-Cr-Si-Cu合金构成的靶(阴极电极)5，
(a)首先，一边将装置内进行排气来保持真空，一边通过加热器1将工具基体3加热至400℃之后，一边在所述旋转台2上进行自转，一边对进行旋转的工具基体3施加-1000V的直流偏置电压，且在Al-Ti-Si合金阴极电极9与阳极电极10之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而对工具基体表面进行轰击清洗，
(b)接着，作为反应气体，在装置内导入氮气来作为表4所示的氮气压力，并且一边在所述旋转台2上进行自转，一边将进行旋转的工具基体3的温度维持在表4所示的温度范围内，并且施加表4所示的直流偏置电压，且在所述Al-Ti-Si合金靶9与阳极电极10之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而在所述工具基体3的表面蒸镀形成表5所示的组成及由目标平均层厚的(Al、Ti、Si)N层构成的下部层，
(c)接着，作为反应气体，在装置内导入氮气来作为表4所示的氮气压力，并且一边在所述旋转台2上进行自转，一边将进行旋转的工具基体3的温度维持在表4所示的温度范围内，并且施加表4所示的直流偏置电压，且在所述Al-Cr-Si-Cu合金靶5与阳极电极7之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而在所述下部层表面蒸镀形成表5所示的组成及单层平均层厚的由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的薄层A，
(d)接着，停止电弧放电，相反地施加表4所示的直流偏置电压，且在所述Al-Ti-Si合金阴极电极9与阳极电极10之间同样地导通100A的电流来产生电弧放电，从而在前述中形成的薄层A的表面蒸镀形成表5所示的组成及单层平均层厚的由(Al、Ti、Si)N层构成的薄层B，
(e)通过交替地反复进行上述(c)与(d)直至成为由薄层A与薄层B的交替层叠结构ASL构成的表5所示的规定的总平均层厚为止蒸镀形成中间层，
(f)接着，在所述Al-Cr-Si-Cu合金靶5的表面施加表4所示的控制成最大磁通量密度的各种磁场，并在装置内作为反应气体导入氮气来设为表4所示的氮气压力，并且一边在所述旋转台2上进行自转，一边将进行旋转的工具基体3的温度维持为表4所示的温度范围内，并且施加表4所示的直流偏置电压，且在所述Al-Cr-Si-Cu合金靶5与阳极电极7之间导通100A的电流来产生电弧放电，从而在所述工具基体的表面蒸镀形成表5所示的组成及目标平均层厚的由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层，
由此分别制造了表5所示的作为本申请发明的包覆切削工具的表面包覆立铣刀11～20(以下，称为本发明11～20)。
比较例：
以进行比较为目的，将实施例1中所制作的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)1～3各自在丙酮中进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图2A及图2B所示的AIP装置6的旋转台2上的中心轴沿半径方向隔开规定距离的位置，沿外周部进行安装，在AIP装置6的一侧配置由规定组成的Al-Ti-Si合金构成的靶(阴极电极)9，在另一侧配置由规定组成的Al-Cr-Si-Cu合金构成的靶(阴极电极)5，在表6所示的条件下形成下部层LL、中间层IL及上部层UL，由此分别制造了表7所示的作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀1～10(以下，称为比较例1～10)。
另外，对于比较例1、2，没有形成下部层LL及中间层IL，并且，对于比较例3～6，没有形成中间层IL。
通过使用了扫描型电子显微镜(SEM)或透射型电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)测定了在上述中制作的本发明1～20及比较例1～10的硬质包覆层的组成。
并且，将其层厚使用扫描型电子显微镜、透射型电子显微镜进行截面测定，根据5处的测定值的平均值计算了平均层厚。
而且，对于在上述中制作的本发明1～20及比较例1～10，进行硬质包覆层(Al、Cr、Si、Cu)N层的X射线衍射，用Pseudo Voigt函数对进行背景去除之后显现于表示六方晶结构的2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的峰进行拟合，并测定了该峰的半值宽度。
另外，关于X射线衍射，作为X射线衍射装置使用Spectris Co.,Ltd.的PANalytical Empyrean，并通过基于CuKα射线的2θ‐θ法进行测定，作为测定条件，在测定范围(2θ)：30°～80°、X射线输出：45kV、40mA、发散狭缝：0.5度、扫描步距：0.013度、每一步距的测定时间：0.48sec/步距的条件下进行了测定。
在表3、表5、表7中示出测定、计算的各自的值。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
(注释1)“h(110)的半值宽度”表示通过X射线衍射求出的存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度。
[表6]
[表7]
(注释1)“h(110)的半值宽度”表示通过X射线衍射求出的存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度。
(注释2)栏中的“※”标志表示为本发明的范围外。
接下来，对上述本发明1～20及比较例1～10的立铣刀，在下述条件(称为切削条件A)下实施了的合金工具钢的侧面切削加工试验：
工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD11(60HRC)的板材、
切削速度：100m/min、
转速：5400min.-1、
切深量：ae 0.25mm、ap 2mm、
进给速度(每一刃)：0.04mm/tooth、
切削长度：50m。
而且，在下述条件(称为切削条件B)下实施了高速工具钢的侧面切削加工试验：
工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKH51(64HRC)的板材、
切削速度：100m/min、
转速：5400min.-1、
切深量：ae 0.2mm、ap 2.5mm、
进给速度(每一刃)：0.05mm/tooth、
切削长度：15m。
在所有的侧面切削加工试验中都测定了切削刃的后刀面磨损宽度。
将该测定结果示于表8。
[表8]
(表中，比较例的栏的(※)为因崩刀或磨损而到达使用寿命(后刀面磨损宽度0.2mm)为止的切削长度(m))
由表8所示的结果可知，本申请发明的包覆切削工具作为硬质包覆层具备规定的组成、平均层厚的下部层、中间层，并且包含规定的组成、平均层厚的由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层，上部层的晶体以六方晶结构为主体，而且，在对上部层进行了X射线衍射的情况下，存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度为1.0°～3.5°，由此在淬火钢等高硬度材料的切削加工中，显示出优异的耐崩刀性、耐剥离性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
相对于此，在作为硬质包覆层不具有规定的组成、平均层厚的下部层、中间层或者由(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的上部层的组成、晶体结构或者(110)面的衍射峰的半值宽度脱离本申请发明中所规定的范围的比较例包覆工具中，确认到因崩刀、剥离的产生或者磨损的进行而在较短时间内到达使用寿命。
另外，所述表8所示的结果为针对将WC基硬质合金作为工具基体的本申请发明的包覆切削工具的结果，工具基体并不限定于WC基硬质合金，能够将TiCN基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、高速工具钢用作工具基体，在将它们作为工具基体的本申请发明的包覆切削工具中，也与所述实施例同样地，在长期使用中发挥优异的耐崩刀性及优异的耐磨性。
产业上的可利用性
如上所述，本申请发明的包覆切削工具在使用于淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工的情况下，长期显示出优异的切削性能，因此能够充分应对切削加工装置的FA化以及切削加工的节省劳力化及节能化、进一步低成本化。
符号说明
B-工具基体，LL-下部层，UL-上部层，ASL-薄层A与薄层B的交替层叠，1-加热器，2-旋转台，3-硬质基体，4、8-磁力产生源，5-Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)，6-AIP装置，7、10-阳极电极，9-Al-Ti-Si靶(阴极电极)，11-反应气体导入口，12-排气口，13、14-电弧电极，15-偏置电极。

Claims (4)

1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体及高速工具钢中的任一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层，该表面包覆切削工具的特征在于，
所述硬质包覆层至少由下部层与上部层构成，
(a)所述下部层由平均层厚为0.3～3.0μm的Al、Ti及Si的复合氮化物层构成，关于所述下部层，在由组成式：(Al1-α-βTiαSiβ)N表示的情况下，满足0.3≤α≤0.5、0.01≤β≤0.10，其中，α、β均为原子比，
(b)所述上部层由平均层厚为0.5～5.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层构成，
关于所述上部层，在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05，其中，a、b、c均为原子比，
(c)所述上部层含有六方晶结构的晶体，对该上部层通过X射线衍射求出的存在于2θ＝55°～65°的范围内的(110)面的衍射峰的半值宽度为1.0°～3.5°。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在权利要求1所述的表面包覆切削工具中，中间层介于所述下部层与上部层之间而形成，所述中间层由薄层A与薄层B的交替层叠结构构成且总平均层厚为0.1～1.0μm，
(a)关于所述薄层A，在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05，其中，a、b、c均为原子比，且由单层平均层厚为0.005～0.10μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层构成，
(b)关于所述薄层B，在由组成式：(Al1-α-βTiαSiβ)N表示的情况下，满足0.3≤α≤0.5、0.01≤β≤0.10，其中，α、β均为原子比，且由单层平均层厚为0.005～0.10μm的Al、Ti及Si的复合氮化物层构成。
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，
所述上部层在该层中含有六方晶结构的晶体的同时，含有立方晶结构的晶体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在将所述上部层的立方晶(200)面的衍射峰强度设为c(200)、将六方晶(110)面的衍射峰强度设为h(110)时，峰强度比c(200)/h(110)＜1。
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