CN108698134A - 表面包覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明在工具基体的表面至少设置有(Al1‑a‑b‑cCraSibCuc)N层，其中，0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05，Cr浓度或者Cr和Cu浓度沿层厚方向周期性地发生变化，Cr的最高含有点的浓度Crmax为a＜Crmax≤1.3a，Cr的最低含有点处的Crmin在0.50a≤Crmin＜a的范围内，根据需要，将层厚方向的任意点z处的Cu组成设为cz，且将Cr组成设为az时，(cz/az)/(c/a)在整个层厚方向上满足0.7以上且1.5以下。

Description

表面包覆切削工具
技术领域
该发明涉及一种在淬火钢等高硬度钢的高速断续切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐磨性和抗裂性，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2016年2月29日于日本申请的专利申请2016-038258号、2016年8月31日于日本申请的专利申请2016-168781号及2017年2月21日于日本申请的专利申请2017-030048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，包覆一层以上的由以Cr、Al及Si为主要成分的金属成分以及由选自C、N、O、B中的至少一种以上元素构成的立方晶结构的硬质层，由此改善了耐缺损性、耐磨性的包覆工具。
并且，专利文献2中记载有如下内容：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M相对于M与L的总计的原子比，b表示L相对于M与L的总计的原子比，c表示X相对于M与L的总计的原子比。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)，由此通过作为硬质膜的成分的Cu、Si等带来的晶粒的微细化、晶体稳定性，高温硬度变高、耐磨性提高，进一步抗氧化性也提高。
而且，在专利文献3中记载有如下内容：在工具基体表面物理蒸镀由Cr和Al的复合氮化物构成的硬质包覆层而成的包覆工具中，通过将硬质包覆层设为如下硬质包覆层，而在重切削加工条件下硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性，该硬质包覆层具有Al最高含有点与Al最低含有点沿层厚方向以规定的间隔交替重复存在，并且具有Al含量在所述两点之间连续发生变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式：(Cr1-XAlX)N(其中，以原子比计，X表示0.40～0.60)，并且，上述Al最低含有点满足组成式：(Cr1-YAlY)N(其中，以原子比计，Y表示0.05～0.30)，并且，相邻的上述Al最高含有点与Al最低含有点之间的间隔为0.01～0.1μm。
专利文献1：日本专利第3781374号公报(B)
专利文献2：日本特开2008-31517号公报(A)
专利文献3：日本特开2004-50381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，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强烈，随此，切削加工逐渐趋于高速化、高效化，但是上述以往的包覆工具的现状是，在将该包覆工具用于钢、铸铁等的一般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，但是在将该包覆工具用于例如淬火钢等高硬度钢的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对切削刃施加冲击性/断续性高负荷的高速断续切削加工中的情况下，无法抑制裂缝的产生、传播，并且，还促进磨损的进展，因此在比较短时间内就达到使用寿命。
例如，在专利文献1中所示的以往包覆工具中，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si)N层中，Al成分具有提高高温硬度的作用，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Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用，但是在伴有高热发生，而且对切削刃施加冲击性、断续性高负荷的切削条件下，无法避免崩刀、缺损等的产生，例如，即使欲通过增加Cr含有比例来实现高温韧性、高温强度的改善，也因Al含有比例的相对减少，而导致耐磨性下降，因此同时实现由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层中的耐磨性和抗裂性本身存在极限。
并且，在专利文献2中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，虽然耐磨性得到提高，但因韧性降低而无法抑制裂缝的产生，因此工具寿命较短。而且，在专利文献3中所示的以往包覆工具中，在硬质包覆层中形成重复成分浓度发生变化的组成调制结构，高温硬度和耐热性在Al最高含有点(相当于Cr最低含有点)得到确保，另一方面，硬质包覆层的强度在与Al最高含有点(相当于Cr最低含有点)相邻的Al最低含有点(相当于Cr最高含有点)得到确保，由此确保耐崩刀性和耐磨性，虽然可在一般的钢、合金钢、铸铁的切削加工中获得一定程度的效果，但在高硬度钢(例如，HRC60以上)的切削加工中，因作用于切削刃的冲击性、断续性的高负荷，不能说耐崩刀性、耐磨性充分。
发明内容
因此，本发明人等根据上述观点，为了开发在如淬火钢等高硬度钢的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且冲击性、断续性的高负荷作用于切削刃的切削加工条件下，硬质包覆层能够兼顾优异的耐崩刀性和耐磨性的包覆工具，着眼于构成硬质包覆层的成分及层结构并进行研究的结果，获得了如下见解。
即，本发明人发现了：作为由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层的成分，不仅通过含有Cu，实现晶粒微细化带来的耐磨性的提高，而且通过构成为具有硬质包覆层的Cr成分浓度沿层的层厚方向周期性地发生变化的组成调制结构，进而构成为具备该组成调制组织结构，并具有Cr成分的浓度和Cu成分的浓度的周期性变化为相同的相位的特征的层，硬质包覆层也兼备韧性和耐磨性这两个特性。并且，还发现了：具备所述硬质包覆层的包覆工具即使在提供于伴有高热发生，而且冲击性、断续性高负荷作用于切削刃的切削加工条件(例如，淬火钢等高硬度钢的高速铣削加工条件)的情况下，也发挥优异的耐崩刀性，并且在长期使用中也发挥优异的耐磨性。
该发明是根据上述见解而完成的，且具有以下方式。
(1)一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或者立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体的表面设置硬质包覆层而成，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平均层厚为0.5～8.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，
(b)所述复合氮化物层在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，具有满足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)的平均组成，
(c)所述复合氮化物层具有沿层厚方向Cr成分浓度周期性地发生变化的组成调制结构，
(d)关于所述组成调制结构中的Cr成分浓度的周期性变化，Cr成分的最高含有点和Cr成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
(e)将所述Cr成分的最高含有点处的Cr成分的浓度的极大值的平均设为Crmax时，在a＜Crmax≤1.3a的范围内，另一方面，将所述Cr成分的最低含有点处的Cr成分的浓度的极小值的平均设为Crmin时，在0.5a≤Crmin＜a的范围内(其中，a表示所述(b)的组成式中的Cr的平均组成a)。
(2)根据(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述Cr成分浓度的变化为沿层厚方向的连续变化。
(3)一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或者立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体的表面设置硬质包覆层而成，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平均层厚为0.5～8.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，
(b)所述复合氮化物层在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，具有满足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)的平均组成，
(c)所述复合氮化物层具有沿层厚方向Cr成分的浓度周期性地发生变化的组成调制结构及Cu成分浓度周期性地发生变化的组成调制结构，
(d)关于所述组成调制结构中的Cr成分的浓度的周期性变化，Cr成分的最高含有点和Cr成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
(e)所述Cr成分的最高含有点处的Cr成分的浓度的极大值的平均Crmax在a＜Crmax≤1.30a的范围内，另一方面，所述Cr成分的最低含有点处的Cr成分的浓度的极小值的平均Crmin在0.5a≤Crmin＜a的范围内(其中，a表示所述(b)的组成式中的Cr的平均组成a)，
(f)关于所述组成调制结构中的Cu成分浓度的周期性变化，Cu成分的最高含有点和Cu成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
(g)将沿层厚方向的任意测量点z处的Cu的组成设为cz，且将Cr的组成设为az时，将cz与az的比值(cz/az)除以所述复合氮化物层中的Cu的平均组成c与Cr的平均组成a的比值(c/a)而得的值((cz/az)/(c/a))在整个层厚方向上存在于0.7≤(cz/az)/(c/a)≤1.5的范围内。
(4)根据(3)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述Cr及Cu成分浓度的变化为沿层厚方向的连续变化。
关于本发明的一方式的包覆工具(以下，称为“本发明的包覆工具”)，硬质包覆层至少包含由规定的组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的层，并且在该(Al、Cr、Si、Cu)N层中Cr成分浓度沿层厚方向周期性地发生变化，存在Cr最高含有点和Cr最低含有点，由此发挥作为整个(Al、Cr、Si、Cu)N层而兼备优异的抗裂性和耐磨性的显著效果。
并且，关于本发明的包覆工具，硬质包覆层至少包含由规定的平均组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的层，并且在该(Al、Cr、Si、Cu)N层中构成层的各成分的组成沿层厚方向周期性地发生变化，尤其将层厚方向的任意测量点z处的Cu的组成设为cz，且将Cr的组成设为az，并且将(Al、Cr、Si、Cu)N层的Cu的平均组成设为c，且将Cr的平均组成设为a时，将cz与az的比值(cz/az)除以c与a的比值(c/a)而得的值(cz/az)/(c/a)在(Al、Cr、Si、Cu)N层的整个层厚方向上满足0.7≤(cz/az)/(c/a)≤1.5的关系，由此耐崩刀性和耐磨性这两者同时得到提高。即，虽然Cr成分周期性地进行调制，但Cr与Cu之比的变动范围(cz/az)/(c/a)保持在微小的变化内，换言之，设为在Cr和Cu保持一定比率的状态下近似地进行调制的结构，能够使层内的晶格应变的变化更加显著，整体上发挥优异的韧性。
因此，关于上述(1)～(4)所涉及的本发明的包覆工具，即使在伴有高热发生，并且对切削刃施加较大的冲击性、机械性负荷的淬火钢等高硬度钢的高速铣削加工等高速断续切削加工中，也起到长期发挥优异的耐崩刀性和耐磨性的显著效果。
附图说明
图1A涉及本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的结构，是其概略示意图。
图1B涉及本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的结构，是表示Cr成分和Cu成分的组成调制的状态的图。
图1C涉及本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的结构，是表示Al成分和Si成分的组成调制的状态的图。
图2是表示本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的层厚方向的各位置与对该位置求出的(cz/az)/(c/a)的值的关系的一例的图。
图3A表示用于形成本发明的包覆工具的(Al、Cr、Si、Cu)N层的电弧离子镀(AIP)装置的概略俯视图。
图3B表示用于形成本发明的包覆工具的(Al、Cr、Si、Cu)N层的电弧离子镀(AIP)装置的概略主视图。
具体实施方式
接着，对该发明的包覆工具进行详细说明。
硬质包覆层：
在本发明中，作为硬质包覆层，至少具备Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层(以下，还有时由“(Al、Cr、Si、Cu)N层”表示)，但是(Al、Cr、Si、Cu)N层中，Al成分具有提高高温硬度的作用，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。
(Al、Cr、Si、Cu)N层的组成：
并且，在表示所述(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Cr的平均组成的a值(原子比)以在Al、Si及Cu的总量中所占的比例计小于0.15的情况下，无法确保所需最低限度的高温韧性、高温强度，因此无法抑制成为崩刀、缺损等的原因的裂缝的产生，另一方面，若该a值大于0.40，则因Al含有比例的相对减少而促进磨损的进展，因此将a值确定为0.15～0.40。并且，在表示Si的平均组成的b值(原子比)以在Al、Cr及Cu的总量中所占的比例计小于0.05的情况下，无法期待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Cu的平均组成的c值(原子比)以在Al、Cr及Si的总量中所占的比例计小于0.005的情况下，无法期待更加进一步提高耐磨性，另一方面，若表示Cu的平均组成的c值以在Al、Cr及Si的总量中所占的比例计超过0.05，则通过电弧离子镀(以下，由“AIP”表示)装置形成(Al、Cr、Si、Cu)N层时容易产生颗粒，在施加较大的冲击性、机械性负荷的切削加工中抗裂性下降，因此将c值确定为0.005～0.05。
另外，关于上述a、b、c，优选的范围分别为0.15≤a≤0.25、0.05≤b≤0.15、0.01≤c≤0.03。
(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均层厚：
对于所述(Al、Cr、Si、Cu)N层，其平均层厚小于0.5μm时，无法在长期使用中发挥优异的耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过8.0μm，则容易产生成为崩刀、缺损等的原因的裂缝，因此将(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均层厚确定为0.5～8.0μm。
(Al、Cr、Si、Cu)N层的结构：
在本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层中，具有包含Cr成分的至少1个以上的成分的浓度沿层厚方向连续地或者不连续(阶梯状)地周期性地发生变化的组成调制结构。首先，对于该组成调制结构，根据图1A中所示的概略示意图，将Cr成分作为例子进行说明，对于其他成分也相同。无论浓度的周期性变化是连续变化(图1A的b)还是不连续(阶梯状)变化(图1A的c)，在任一情况下，Cr成分的浓度均沿层厚方向以Cr最高含有点(P2)-Cr最低含有点(P1)-Cr最高含有点(P2)-Cr最低含有点(P1)……的方式保持规定的间隔而显示周期性浓度变化。若对在此所说的最高含有点、最低含有点进行说明，则所谓Cr的最高含有点(P2)，是指沿层厚方向测量出的各测量点处的Cr成分的浓度在连续超过整个层的组成式(Al1-a-b-cCraSibCuc)N中的Cr成分的平均浓度比例a的值的部分中的极大值，在存在多个连续超过a的值的部分的情况下，将各部分中的极大值定义为各部分中的最高含有点，同样地，所谓最低含有点(P1)，是指沿层厚方向测量出的各测量点处的Cr成分的浓度小于整个层的组成式(Al1-a-b-cCraSibCuc)N中的Cr成分的平均浓度比例a的值的连续的部分中的极小值，在存在多个连续小于a的值的部分的情况下，将各部分中的极小值定义为各部分中的最小含有点。根据该定义，在a的值附近的周期性变化中，如图1A所示，最高含有点和最低含有点交替出现。
接着，根据显示实际的组成调制结构的图1B及图1C进行说明。在这些图中多种成分周期性地发生变化。即，图1B表示在本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层中，沿层厚方向的Cr成分的浓度(由图1B的实线表示)及Cu成分的浓度(由图1B的虚线表示)周期性地发生变化的状态，并且，图1C表示沿层厚方向的Al成分浓度(由图1C的实线表示)及Si成分浓度(由图1C的虚线表示)周期性地发生变化的状态。根据图1B、图1C明确可知，Cr成分和Cu成分以相同的相位发生周期性浓度变化，并且，Al成分和Si成分以相同的相位发生周期性浓度变化。换句话说，Cr成分和Cu成分成对来改变浓度、Al成分和Si成分成对来改变浓度，由此形成组成调制结构。
如前所述，关于本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的组成调制结构，作为组成调制结构的形态，具有作为层的构成成分的Cr的成分浓度变化沿层厚方向连续发生变化的情况(参考图1A的b)及不连续(阶梯状)发生变化的情况(参考图1A的c)。本发明可以是任一形态，但是从在冲击性、断续性高负荷作用于切削刃的切削加工中，发挥提高硬质包覆层的耐磨性及耐热性的效果，并且提高作为整个层的抗裂性的观点考虑，为了提高Cr最高含有点(P2)与Cr最低含有点(P1)之间的层内的亲和性，更优选组成调制结构的Cr的成分浓度变化连续地发生变化。
Cr成分的组成调制中的各Cr最高含有点(P2)处的Cr浓度的平均值：
各Cr最高含有点(P2)的(Al、Cr、Si、Cu)N层中的Cr成分具有提高层本身的强度，且提高抗裂性的作用，但是若表示各Cr最高含有点(P2)处的赋予极大值的Cr浓度的平均含有比例的Crmax大于1.30a(其中，a的值表示(Al、Cr、Si、Cu)N层的组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)中的Cr的平均组成a)，则Al、Si、Cu的含有比例相对减少，因此即使具有高硬度的Cr最低含有点(P1)相邻存在，也无法避免作为整个层的耐热性、耐磨性的下降，另一方面，表示各Cr最高含有点(P2)处的平均的Cr的含有比例的Crmax，根据其定义，不会取a以下的值，由此表示各Cr最高含有点(P2)处的平均Cr浓度的Crmax的值定义为超过a且为1.30a以下。另外，优选Crmax的值满足1.03a≤Crmax≤1.25a。
Cr成分的组成调制中的各Cr最低含有点处的Cr浓度的平均值：
如上所述，Cr最高含有点(P2)具有相对高的韧性，并提高抗裂性，但是与其相反地，硬度相对小，耐磨性差，并且耐热性也差，因此为了补偿该Cr最高含有点(P2)的耐磨性不足、耐热性不足，相对减少Cr含有比例，由此在厚度方向上交替且周期性地形成提高整个层的耐磨性、耐热性的Cr最低含有点(P1)。因此，若表示各Cr最低含有点(P1)处的赋予极小值的Cr浓度的平均含有比例的Crmin小于0.50a(其中，a的值表示(Al、Cr、Si、Cu)N层的组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)中的Cr的平均组成a)，则Al、Si、Cu的含有比例相对增加而耐磨性、耐热性得到提高，但是因强度下降而抗裂性下降，无法期待耐磨性提高效果、耐热性提高效果。另一方面，表示Cr最低含有点(P1)处的Cr浓度的Crmin，根据其定义，不可能是a以上的数值，由此表示Cr最低含有点(P1)处的Cr浓度的Crmin的值确定为0.50a以上且小于a的范围。另外，优选Crmin的值满足0.65a≤Crmin≤0.95a。
Cr最高含有点与Cr最低含有点的间隔：
Cr最高含有点(P2)与Cr最低含有点(P1)的间隔小于5nm时，难以明确区分来形成各自的点，其结果，无法确保层中所希望的高强度、高温硬度及耐热性，并且，若该间隔超过100nm，则在层内局部出现各自的点所具有的缺陷即若为Cr最低含有点(P1)则强度不足、若为Cr最高含有点(P2)则高温硬度和耐热性不足，因该原因容易在切削刃产生裂缝，并且促进磨损进展，由此Cr最高含有点(P2)与Cr最低含有点(P1)的间隔确定为5nm以上且100nm以下。
Cu成分的组成调制结构：
如前所述，Cu成分显示出与Cr成分相同的相位的组成调制，Cu最高含有点与Cu最低含有点的间隔为5nm以上且100nm以下，Cu成分的组成调制和Cr成分的组成调制除了相位、周期相同之外，还在Cu成分浓度与Cr成分浓度之间维持规定的关系。即，关于将(Al、Cr、Si、Cu)N层的层厚方向的任意的点z处的Cu的组成设为cz，且将Cr的组成设为az，并且将(Al、Cr、Si、Cu)N层的Cu的平均组成设为c，且将Cr的平均组成设为a时，将cz与az之比的值(cz/az)除以c与a之比的值(c/a)而得的值(cz/az)/(c/a)在小于0.7时，无法发挥所希望的韧性，并且若超过1.5，则容易在切削刃产生裂缝，由此将(cz/az)/(c/a)确定为0.7～1.5。在图2中，表示本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的层厚方向的各位置与对该位置求出的(cz/az)/(c/a)的值的关系。根据图2也可知，(cz/az)/(c/a)的值在整个层厚方向上满足0.7≤(cz/az)/(c/a)≤1.5的关系。
关于本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层，形成有所述组成调制结构、尤其是Cr和Cu的纳米级的组成调制结构，由此能够显著调制晶格应变(根据Cr、Cu的离子半径大于Al、Si的离子半径)，另一方面，在Cr和Cu多的区域中，促进基于Cu成分的晶粒的微细化，由此能够提高耐磨性。因此，在本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层中，尤其是通过晶格应变的调制和基于Cu成分的微细化效果，高速断续切削时所产生的裂缝不会在硬质包覆层的层厚方向上进行传播、进展，而在面内方向(与工具基体表面大致平行的方向)上被引导，由此能够抑制因裂缝的传播、进展而发生崩刀、缺损。
关于本发明的包覆工具的硬质包覆层的具有组成调制结构的(Al、Cr、Si、Cu)N层，例如当使用图3中所示的AIP装置(4)来进行成膜时，将工具基体装入AIP装置(4)，一边在旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体与Cr、或者Cr及Cu的最高含有点(换言之，Al和Si的最低含有点)形成用靶之间产生电弧放电而成膜的同时，一边在旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体与Cr、或者Cr及Cu的最低含有点(换言之，Al和Si的最高含有点)形成用靶之间也产生电弧放电而成膜，由此能够形成具有组成调制结构的(Al、Cr、Si、Cu)N层。另一方面，交替进行在工具基体与Cr、或者Cr及Cu的最高含有点形成用靶(5)之间产生电弧放电而成膜之后停止电弧放电，接着，在工具基体与Cr或者Cr及Cu的最低含有点形成用靶(6)之间产生电弧放电而成膜之后停止电弧放电的操作，由此能够形成具有不连续(阶梯状的)组成调制结构的(Al、Cr、Si、Cu)N层。
另外，构成本发明的包覆工具的硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的晶体无需具有特定的晶体结构，但是优选为具有立方晶结构的晶体、或者具有六方晶结构的晶体、或者混合有立方晶结构的晶体和六方晶结构的晶体中的任一个。
实施例
接着，根据实施例对本发明的包覆工具进行具体说明。
另外，在以下的实施例中，对将碳化钨基硬质合金作为工具基体的包覆工具进行说明，但是作为工具基体，在使用了碳氮化钛基金属陶瓷或者立方晶氮化硼烧结体的情况下也相同。
[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的形状的各种压坯，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、并维持1小时该温度之后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)对于上述工具基体1～3的每一个，在丙酮中进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图3中所示的AIP装置(4)的旋转台(2)上的中心轴沿半径方向隔开规定的距离的位置，沿外周部进行安装，在AIP装置(4)内将轰击清洗用Ti阴极电极(未图示)、规定的组成的Cr最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(5)与规定的组成的Cr最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(6)以在装置内相对置的方式配置。
(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)将工具基体加热至400℃之后，对一边在所述旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，且在Ti阴极电极与阳极电极(7)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，在装置内导入作为反应气体的氮气并设为表2所示的氮气压力，并且将一边在所述旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体的温度维持在表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Cr最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(5)与阳极电极(7)之间、及Cr最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(6)与阳极电极(7)之间，分别导通100A的电流来同时产生电弧放电，从而在所述工具基体的表面蒸镀形成由具有连续的Cr成分浓度的变化的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层，其中，该(Al、Cr、Si、Cu)N层具有表4所示的规定的组成、目标平均层厚、组成调制的周期、Crmax、Crmin，由此分别制造了表4所示的作为本发明的包覆工具的表面包覆立铣刀1～9(以下，称为本发明例1～9)。
并且，在所述(c)工序中，在装置内导入作为反应气体的氮气并设为表2所示的氮气压力，并且将一边在所述旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体的温度维持在表2所示的温度范围内，并且施加表2所示的直流偏置电压，接着，在Cr最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(5)与阳极电极(7)之间、及Cr最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(6)与阳极电极(7)之间，分别交替导通100A的电流来产生电弧放电，从而蒸镀形成由具有不连续(阶梯状的)Cr成分浓度的变化的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层，其中该(Al、Cr、Si、Cu)N层具有表5所示的规定的组成、目标平均层厚、组成调制的周期、Crmax、Crmin构成，由此分别制造了表5所示的作为本发明的包覆工具的表面包覆立铣刀11～18(以下，称为本发明例11～18)。
[比较例]
以比较为目的，在表3所示的条件(即，氮气压力、工具基体的温度、直流偏置电压)下进行上述实施例中的(c)的工序，其他在与实施例相同的条件下成膜，由此分别制造了表6所示的作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀1～8(以下，称为比较例1～8)。即，比较例1～8的(Al、Cr、Si、Cu)N层均不具备本发明中所规定的必要条件。
对于在上述中所制作的本发明例1～18(其中，缺10号)及比较例1～8，使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出与工具基体表面垂直的纵截面，沿层厚方向，以设定为与工具基体表面平行的方向的宽度为10μm且包含硬质包覆层的所有厚度区域的视场，通过使用了扫描型电子显微镜(SEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)测量(Al、Cr、Si、Cu)N层的组成，求出整个(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均组成。
并且，对于其纵截面中的层厚，使用扫描型电子显微镜进行测量，由5处的测量值的平均值计算出平均层厚。
而且，对于本发明例1～18(其中，缺10号)及比较例1～8的(Al、Cr、Si、Cu)N层，通过使用了扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)及能量分散型X射线分析法(EDS)的沿层厚方向的测量，测量了Cr最高含有点处的Cr浓度Crmax的值、Cr最低含有点处的Cr浓度Crmin的值、Cr最高含有点与Cr最低含有点的间隔。另外，对于所述平均组成、Crmax的值、Crmin的值、Cr最高含有点与Cr最低含有点的间隔，均在5处以上进行沿层厚方向的EDS测量，并作为各层的测量值的平均值而求出。将测量并计算出的各值示于表4～表6中。
而且，对于本发明例1～18(其中，缺10号)及比较例1～8的(Al、Cr、Si、Cu)N层，进行(Al、Cr、Si、Cu)N层的X射线衍射，不管在任何情况下，均确认到存在具有立方晶结构或者六方晶结构的晶体。
另外，关于X射线衍射，在测量条件：Cu管球、测量范围(2θ)：30～80度、扫描步距：0.013度、每一步距的测量时间：0.48sec/step的条件下进行了测量。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
[表6]
※表示脱离权利要求的范围的值
接着，对于上述本发明例1～18(其中，缺10号)及比较例1～8的立铣刀，在下述条件(称为切削条件A)下实施了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 0.24mm、ap 2mm，
进给速度(每一刃)：0.06mm/tooth，
切削长度：32m，
而且，在下述条件(称为切削条件B)下实施了高速度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 0.22mm、ap 2.0mm，
进给速度(每一刃)：0.06mm/tooth，
切削油剂：吹气，
切削长度：16m，
在所有侧面切削加工试验中均测量了切削刃的后刀面磨损宽度。将该测量结果示于表7中。
[表7]
(表中，比较例栏中的(※)为因崩刀、磨损达到使用寿命(后刀面磨损宽度为0.2mm)为止的切削长度(m))
根据表7所示的结果，对于本发明的包覆工具，作为硬质包覆层，至少包含规定的平均组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层，并且在该层中形成有Cr成分的组成调制结构，由此(Al、Cr、Si、Cu)N层兼备韧性和耐磨性这两个特性，因此在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，显示优异的耐崩刀性和耐磨性，在长期使用中发挥优异的切削性能。
相对于此，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均组成、或者Cr成分的组成调制结构在本发明中的规定之外的比较例的包覆工具中明确可知，因裂缝的产生、传播、或者磨损进展，而在比较短时间内就达到使用寿命。
[实施例2]
分别制造了与实施例1相同的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)1～3。
(a)对于上述工具基体1～3的每一个，在丙酮中进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图3中所示的AIP装置(4)的旋转台(2)上的中心轴沿半径方向隔开规定的距离的位置，沿外周部进行安装，在AIP装置(4)内将轰击清洗用Ti阴极电极(未图示)、规定的组成的Cr和Cu的最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(5)与规定的组成的Cr和Cu的最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(6)以在装置内相对置的方式配置。
(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)将工具基体加热至400℃之后，对一边在所述旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，且在Ti阴极电极与阳极电极(7)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，在装置内导入作为反应气体的氮气并设为表8所示的氮气压力，并且将一边在所述旋转台(2)上进行自转一边进行旋转的工具基体的温度维持在表8所示的温度范围内，并且施加表8所示的直流偏置电压，且在所述Cr和Cu的最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(5)与阳极电极(7)之间、及Cr和Cu的最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)(6)与阳极电极(7)之间，分别导通100A的电流来同时产生电弧放电，从而在所述工具基体的表面蒸镀形成由具有各成分浓度的变化的(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层，其中该(Al、Cr、Si、Cu)N层具有表10所示的规定的组成、目标平均层厚、组成调制的周期、Crmax、Cumax、Crmin、Cumin，由此分别制造了表10所示的作为本发明的包覆工具的表面包覆立铣刀21～30(以下，称为本发明例21～30)。
[比较例]
以比较为目的，在表9所示的条件(即，氮气压力、工具基体的温度、直流偏置电压)下进行上述实施例中的(c)的工序，其他在与实施例相同的条件下成膜，由此分别制造了表11所示的作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀11～20(以下，称为比较例11～20)。即，比较例11～20的(Al、Cr、Si、Cu)N层均不具备本发明中所规定的必要条件。
而且，为了参考，使用具有一种组成的Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)，在表9所示的条件(即，氮气压力、工具基体的温度、直流偏置电压)下形成(Al、Cr、Si、Cu)N层，由此制造了表11所示的作为参考例包覆工具的表面包覆立铣刀1～3(以下，称为参考例1～3)。
对于在上述中所制成的本发明例21～30及比较例11～20，按照实施例1，对Cr最高含有点、Cr最低含有点、Cu最高含有点、Cu最低含有点的多处的测量值进行平均，由此求出整个(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均组成、Cr浓度Crmax的值、Cu浓度Cumax的值、Cr和Cu的最低含有点处的Cr浓度Crmin的值、Cu浓度Cumin的值、Cr最高含有点与Cr最低含有点的间隔、Cu最高含有点与Cu最低含有点的间隔。
并且，对于本发明例21～30及比较例11～20的(Al、Cr、Si、Cu)N层，在沿层厚方向的任意20处的测量点zn(n＝1、2、3、……20)上，测量Cr的浓度azn、Cu的浓度czn并计算(czn/azn)/(c/a)，求出这些值的最大值和最小值。而且，对于本发明例21～30、比较例1～10及参考例1～3的(Al、Cr、Si、Cu)N层，进行(Al、Cr、Si、Cu)N层的X射线衍射，不管在任何情况下，均确认到存在具有立方晶结构或者六方晶结构的晶体。
另外，X射线衍射与实施例1相同。
将测量并计算出的各值示于表10、表11中。
[表8]
[表9]
[表10]
[表11]
(注)*标记表示在本发明范围之外。
(注)(cz/az)/(c/a)中的#标记表示不包含Cu的实施例
接着，对于上述本发明例21～30、比较例11～20及参考例1～3的立铣刀，在下述切削条件C、D下实施了淬火钢的侧面切削加工试验。
＜＜切削条件C＞＞
工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKD11(60HRC)的板材，
切削速度：107m/min，
转速：6000min-1，
切深量：ae 0.20mm、ap 2.0mm，
进给速度(每一刃)：0.05mm/tooth，
切削长度：32m，
＜＜切削条件D＞＞
工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SKH51(64HRC)的板材，
切削速度：107m/min，
转速：6000min-1，
切深量：ae 0.20mm、ap 2.0mm，
进给速度(每一刃)：0.05mm/tooth，
切削长度：18m，
在所有侧面切削加工试验中均测量了切削刃的后刀面磨损宽度。将该测量结果示于表12中。
[表12]
(表中，比较例、参考例栏中的(※)为因裂缝、磨损达到使用寿命(后刀面磨损宽度为0.2mm)为止的切削长度(m))
根据表12所示的结果，对于本发明的包覆工具，作为硬质包覆层，至少包含规定的平均组成的(Al、Cr、Si、Cu)N层，并且在该层中形成有Cr成分及Cu成分的组成调制结构，由此(Al、Cr、Si、Cu)N层兼备抗裂性和耐磨性这两个特性，因此在淬火钢等高硬度钢的高速断续切削加工中，在长期使用中发挥优异的切削性能。
相对于此，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si、Cu)N层的平均组成、或者Cr成分及Cu成分的组成调制结构在本发明的规定之外的比较例的包覆工具、参考例的包覆工具中明确可知，因裂缝的产生、传播、或者磨损进展，在比较短时间内就达到使用寿命。
产业上的可利用性
关于该发明的包覆工具，在提供于高硬度钢的高速断续切削加工的情况下，发挥优异的抗裂性，并且在长期使用中发挥优异的耐磨性，由此能够令人充分满意地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、进而低成本化。
符号说明
L-层厚方向的距离，C-Cr含量，P1-Cr最低含有点，P2-Cr最高含有点，1-加热器，2-旋转台，3-硬质基体，4-AIP装置，5-Cr、Cu最高含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)，6-Cr、Cu最低含有点形成用Al-Cr-Si-Cu合金靶(阴极电极)，7-阳极电极，8-电弧电源，9-偏置电源，10-反应气体导入口，11-排气口。

Claims (4)

1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或者立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体的表面设置硬质包覆层而成，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平均层厚为0.5～8.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，
b：所述复合氮化物层在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，具有满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05的平均组成，其中，a、b、c均为原子比，
c：所述复合氮化物层具有沿层厚方向Cr成分浓度周期性地发生变化的组成调制结构，
d：关于所述组成调制结构中的Cr成分浓度的周期性变化，Cr成分的最高含有点和Cr成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
e：将所述Cr成分的最高含有点处的Cr成分的浓度的极大值的平均设为Crmax时，在a＜Crmax≤1.3a的范围内，另一方面，将所述Cr成分的最低含有点处的Cr成分的浓度的极小值的平均设为Crmin时，在0.5a≤Crmin＜a的范围内，其中，a表示所述b的组成式中的Cr的平均组成a。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
所述Cr成分浓度的变化为沿层厚方向的连续变化。
3.一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者立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体的表面设置硬质包覆层而成，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平均层厚为0.5～8.0μm的Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，
b：所述复合氮化物层在由组成式：(Al1-a-b-cCraSibCuc)N表示的情况下，具有满足0.15≤a≤0.40、0.05≤b≤0.20、0.005≤c≤0.05的平均组成，其中，a、b、c均为原子比，
c：所述复合氮化物层具有沿层厚方向Cr成分的浓度周期性地发生变化的组成调制结构及Cu成分浓度周期性地发生变化的组成调制结构，
d：关于所述组成调制结构中的Cr成分的浓度的周期性变化，Cr成分的最高含有点和Cr成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
e：所述Cr成分的最高含有点处的Cr成分的浓度的极大值的平均Crmax在a＜Crmax≤1.30a的范围内，另一方面，所述Cr成分的最低含有点处的Cr成分的浓度的极小值的平均Crmin在0.5a≤Crmin＜a的范围内，其中，a表示所述b的组成式中的Cr的平均组成a，
f：关于所述组成调制结构中的Cu成分浓度的周期性变化，Cu成分的最高含有点和Cu成分的最低含有点以5nm～100nm的间隔重复，
g：将沿层厚方向的任意测量点z处的Cu的组成设为cz，且将Cr的组成设为az时，将cz与az的比值cz/az除以所述复合氮化物层中的Cu的平均组成c与Cr的平均组成a的比值c/a而得的值(cz/az)/(c/a)在整个层厚方向上存在于0.7≤(cz/az)/(c/a)≤1.5的范围内。
4.根据权利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
所述Cr及Cu成分浓度的变化为沿层厚方向的连续变化。
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