CN115637408A - 涂覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明目的在于提供一种提高耐磨性和耐破损性并延长工具寿命的涂覆切削工具。涂覆切削工具包含基材和形成于基材上的涂层，涂层具有包含化合物的化合物层，化合物的成分为(AlxCryTi1﹣x﹣y)N(该式中，x表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.70≦x≦0.95；y表示Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.04≦y≦0.21；另外，1﹣x﹣y＞0)，化合物层中Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上2.5以下，化合物层的平均厚度为2.0μm以上10.0μm以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂覆切削工具。
背景技术
一直以来，在对钢等进行的切削加工中，由硬质合金或立方氮化硼(cBN)烧结体形成的切削工具应用广泛。其中，表面涂覆切削工具(其硬质合金基材的表面包含一层或多层的TiN层、TiAlN层、AlCrN层等硬质涂层膜)由于具有较高的通用性，因此应用于各种加工中。
其中，AlCrN层中的Al的原子比为70％以上的表面涂覆切削工具由于含有六方晶体，导致硬度降低，因此耐磨性下降。
为了改善这种问题，例如，专利文献1中提出了一种硬质皮膜的成膜方法，该硬质皮膜包括含有立方晶体的AlCrN等(Al原子比为80％以上)。具体来说，该硬质皮膜的成膜方法使用了阴极电弧离子镀装置，该装置内部包含由AlxCryMz组成的靶(0.80≤x≤0.95，0.05≤y+z≤0.20，z≤0.05：x、y、z分别表示Al、Cr、M的原子比。M表示Ti、V、Zr、Nb中的任一元素)。所提出的硬质皮膜的成膜方法的特征在于，通过将对所述阴极电弧离子镀装置内设置的基板施加的偏压范围设为-100V～-150V，将所述基板的温度范围设为330℃～370℃，形成所述硬质皮膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2020﹣109210号公报
技术课题
但是，利用专利文献1中所记载的成膜方法制作的硬质皮膜，其晶体系虽为立方晶体，但压缩应力非常高，在形成硬质皮膜后会发生剥离，加厚硬质皮膜的厚度较为困难。因此，专利文献1中所记载的具有硬质皮膜的涂覆切削工具由于耐磨性不足，所以难以延长工具寿命。
本发明鉴于以上情况而完成，其目的在于提供一种提高耐磨性和耐破损性并延长工具寿命的涂覆切削工具。
发明内容
本发明人对延长涂覆切削工具的工具寿命进行了反复研究，发现将涂覆切削工具中的涂层设为特定的结构，即可提高其耐磨性和耐破损性，进而能够延长涂覆切削工具的工具寿命，从而完成了本发明。
即，本发明的主旨如下。
[1]一种涂覆切削工具，其包含基材和形成于所述基材上的涂层，所述涂层具有包含化合物的化合物层，所述化合物的成分如下述式(1)所示：
(AlxCryTi1﹣x﹣y)N (1)
(在式(1)中，x表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.70≦x≦0.95；y表示Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.04≦y≦0.21；另外，1﹣x﹣y＞0)
所述化合物层中Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上2.5以下；
所述化合物层的平均厚度为2.0μm以上10.0μm以下。
[2]根据[1]所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层的残余应力为-10.0GPa以上-2.0GPa以下。
[3]根据[1]或[2]所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层中的粒子的平均粒径为10nm以上300nm以下。
[4]根据[1]～[3]中任一项所述的涂覆切削工具，其中，在所述化合物层中，当立方晶体(200)面的衍射峰强度为Icub(200)、六方晶体(100)面的衍射峰强度为Ihex(100)时，Ihex(100)/Icub(200)为0.2以下。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层为柱状晶体结构。
根据本发明，可提供一种提高耐磨性和耐破损性并延长工具寿命的涂覆切削工具。
附图说明
图1是本发明的涂覆切削工具的一个示例的示意图。
具体实施方式
下面，对用于实施本发明的方式(以下，简称为“本实施方式”)进行详细说明，但本发明不限于下述本实施方式。本发明在不脱离其主旨范围内可进行各种各样的变形。应予说明，在附图中，对于相同的元素标记相同的符号，并省略重复说明。此外，上下左右等的位置关系，除非另有说明，否则均基于附图所示的位置关系。另外，附图的尺寸比例不限于图示比例。
本实施方式的涂覆切削工具包含基材和形成于基材上的涂层。涂层具有包含化合物的化合物层(以下，也简称为“化合物层”)，所述化合物的成分如下述式(1)所示：
(AlxCryTi1﹣x﹣y)N (1)
(在式(1)中，x表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.70≦x≦0.95；y表示Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.04≦y≦0.21；另外，1﹣x﹣y＞0)
化合物层中Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上2.5以下；
化合物层的平均厚度为2.0μm以上10.0μm以下。
上述涂覆切削工具可以提高耐磨性和耐破损性并延长工具寿命的主要原因，详情并不明了，本发明人认为其主要原因如下，但并不限于此。即，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的x为0.70以上时，硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的x为0.95以下时，可以抑制六方晶体结构的形成，硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另外，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的y为0.04以上时，因含有Cr而使化合物层的高温强度增大并抑制六方晶体的形成，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的y为0.21以下时，因含有适量的Cr而使高温强度增大并易于形成立方晶体，从而硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另外，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中1﹣x﹣y＞0时，因含有Ti而使得化合物层的粘着性提升，因此涂覆切削工具的耐崩裂性和耐磨性得到提高。另外，在形成涂层的化合物层中，当Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上时，Cr比例的变大而致使高温强度增大，Ti元素比例变小从而可以抑制六方晶体结构的形成。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为2.5以下时，化合物层的粘着性提升，因此耐崩裂性和耐磨性得到提高。另外，当形成涂层的化合物层的平均厚度为2.0μm以上时，涂覆切削工具的耐磨性会得到提高。另一方面，当形成涂层的化合物层的平均厚度为10.0μm以下时，可以抑制涂层的剥离，因此涂覆切削工具的耐破损性得到提高。这些效果相互配合，使得本实施方式的涂覆切削工具的耐磨性和耐破损性得到提高，且工具寿命较长。
本实施方式的涂覆切削工具包含基材和形成于该基材表面的涂层。用于本实施方式的基材并无特别限定，只要是能够用作涂覆切削工具的基材即可。例如，基材的实例有硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体以及高速钢。其中，如果基材为选自由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方氮化硼烧结体组成的群组中的一种或多种，则涂覆切削工具的耐破损性更为优异，因此是进一步优选的。
<化合物层>
在本实施方式的涂覆切削工具中，涂层具有包含化合物的化合物层，所述化合物的成分如下述式(1)所示：
(AlxCryTi1﹣x﹣y)N (1)
(在式(1)中，x表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.70≦x≦0.95；y表示Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.04≦y≦0.21；另外，1﹣x﹣y＞0)
在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的x为0.70以上时，硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的x为0.95以下时，可以抑制六方晶体结构的形成，硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。从同样的角度来看，化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的x优选为0.70以上0.93以下，进一步优选为0.75以上0.90以下。另外，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的y为0.04以上时，因含有Cr而使化合物层的高温强度增大并抑制六方晶体的形成，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的y为0.21以下时，因含有适量的Cr而使高温强度增大并易于形成立方晶体，从而硬度会变高，因此涂覆切削工具的耐磨性得到提高。从同样的角度来看，化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中的y优选为0.07以上0.21以下，进一步优选为0.07以上0.15以下。另外，在形成涂层的化合物层中，当化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中1﹣x﹣y＞0时，因含有Ti而使得化合物层的粘着性提升，因此涂覆切削工具的耐崩裂性和耐磨性得到提高。另外，在形成涂层的化合物层中，在化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中，1﹣x﹣y，即，Ti元素的原子比优选为0.03以上0.21以下，进一步优选为0.03以上0.15以下。
应予说明，在化合物的成分(AlxCryTi1﹣x﹣y)N中，Al元素、Cr元素和Ti元素的原子比的和为1.0。
在本实施方式的涂覆切削工具中，形成涂层的化合物层中的Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上2.5以下。另外，在形成涂层的化合物层中，当Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上时，Cr比例的变大而致使高温强度增大，Ti元素比例变小从而可以抑制六方晶体结构的形成。另一方面，在形成涂层的化合物层中，当Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为2.5以下时，化合物层的粘着性提升，因此耐崩裂性和耐磨性得到提高。
另外，在本实施方式中，当化合物的成分记为(Al0.80Cr0.10Ti0.10)N时，其表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比为0.80；Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比为0.10；Ti元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比为0.10。即，Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的含量为80原子百分比(原子％)；Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的含量为10原子％；Ti元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的含量为10原子％。
在本实施方式的涂覆切削工具中，形成涂层的化合物层的平均厚度为2.0μm以上10.0μm以下。另外，当形成涂层的化合物层的平均厚度为2.0μm以上时，涂覆切削工具的耐磨性会得到提高。另一方面，当形成涂层的化合物层的平均厚度为10.0μm以下时，可以抑制涂层的剥离，因此涂覆切削工具的耐破损性得到提高。从同样的角度来看，形成涂层的化合物层的平均厚度优选为2.0μm以上8.5μm以下，进一步优选为3.0μm以上8.5μm以下。
此外，本实施方式的涂覆切削工具的化合物层的残余应力优选为-10.0GPa以上-2.0GPa以下。当化合物层的残余应力为-10.0GPa以上时，可以在涂层形成后抑制龟裂的产生，能够加厚涂层的厚度，从而涂覆切削工具的耐磨性趋于提高。另一方面，当化合物层的残余应力为-2.0GPa以下时，因压缩应力的效果，可以抑制龟裂扩展，从而涂覆切削工具的耐破损性趋于提升。从同样的角度来看，化合物层的残余应力更优选为-9.8GPa以上-2.2GPa以下，进一步优选为-9.6GPa以上-2.5GPa以下。
上述残余应力是指残留在涂层中的内应力(固有应变)，通常将“-”(负)的数值所表示的应力称为压缩应力，“﹢”(正)的数值所表示的应力称为拉伸应力。本实施方式中，在表示残余应力的大小时，“﹢”(正)的数值越大，表示残余应力越大，“-”(负)的数值越大，表示残余应力越小。
应予说明，上述残余应力可通过使用X射线衍射装置的sin2ψ法进行测定。而且，对于所述残余应力，可通过上述sin2ψ法对与切削相关的部位所包含的任意3点(为了能够代表该部位的应力，上述各点优选为彼此相距0.5mm以上的距离)的应力进行测定，并通过求其平均值来测定残余应力。
此外，本实施方式的涂覆切削工具的化合物层中粒子的平均粒径优选为10nm以上300nm以下。当化合物层中粒子的平均粒径为10nm以上时，可以抑制压缩应力变得过高，抑制化合物层的剥离，涂覆切削工具的耐破损性趋于提升。另一方面，当化合物层中粒子的平均粒径为300nm以下时，化合物层硬度变高，涂覆切削工具的耐磨性趋于提高。从同样的角度来看，化合物层中粒子的平均粒径更优选为12nm以上295nm以下，进一步优选为14nm以上292nm以下。
另外，在本实施方式的涂覆切削工具中，化合物层优选为柱状晶体结构。在本实施方式的涂覆切削工具中，当化合物层为柱状晶体结构时，可以抑制粒子的脱落，长时间发挥涂层的作用，从而耐磨性趋于进一步提升。
应予说明，在本实施方式中，对于化合物层中粒子的形状、纵横比以及平均粒径，可以使用市售的透射电子显微镜(TEM)进行测定。具体来说，比如，首先使用聚焦离子束(FIB)设备来制作以化合物层的截面(与观察涂层厚度时相同方向的截面：相对于基材表面的垂直方向)作为观察面的薄膜试样。对于制作的试样的观察面，拍摄扫描透射电子像(STEM像)的图片。此时，优选地，在垂直于基材的方向上，STEM像包括化合物层所占的所有领域，在与基材表面平行的方向上，STEM像包括10.0μm以上的领域。在拍摄的图片中，将化合物层中存在的所有粒子的构成化合物层的粒子中与基材表面平行的方向的轴的值作为粒径，将其平均值作为化合物层的平均粒径。
另外，化合物层中的纵横比按照以下方式求得。在用于测定平均粒径的晶粒中，将涂层的厚度方向的轴的值作为晶粒的高度。该晶粒的高度除以粒径的值得到的数值为纵横比。
按照上述方法测定的化合物层中的纵横比为2以上的晶粒的数量如果为总晶粒数的50％以上，即为柱状晶体结构。另外，按照上述方法测定的化合物层中的纵横比为2以上的晶粒的数量如果小于总晶粒数的50％，即纵横比小于2的晶粒的数量如果为总晶粒数的50％以上，即为粒状晶体结构。
另外，在本实施方式的涂覆切削工具的化合物层中，当立方晶体(200)面的衍射峰强度为Icub(200)、六方晶体(100)面的衍射峰强度为Ihex(100)时，优选地，Ihex(100)/Icub(200)为0.2以下。在化合物层中，当Ihex(100)/Icub(200)为0.2以下时，可以抑制六方晶体结构的形成，使得硬度变高，从而涂覆切削工具的耐磨性趋于提高。从同样的角度来看，在化合物层中，Ihex(100)/Icub(200)的值越低越优选。Ihex(100)/Icub(200)的值低意味着立方晶体的比例高。Ihex(100)/Icub(200)的值的下限并无特别限定，比如，可以是0。
在本实施方式中，化合物层的各晶面的峰强度可通过使用市售的X射线衍射装置进行测定。例如，使用株式会社Rigaku(リガク)制造的型号为RINT TTRIII的X射线衍射装置，在下列条件下进行利用Cu﹣Kα射线的2θ/θ聚焦法光学系统的X射线衍射测定，可测得各晶面的峰强度。上述条件为：输出功率：50kV、250mA；入射侧梭拉狭缝：5°；发散纵向狭缝：2/3°；发散纵向限位狭缝：5mm；散射狭缝：2/3°；受光侧梭拉狭缝：5°；受光狭缝：0.3mm；BENT单色器；受光单色狭缝：0.8mm；取样宽度：0.01°；扫描速度：4°/分；2θ测定范围：20～50°。在根据X射线衍射图谱求取各晶面的峰强度时，也可使用X射线衍射装置附带的分析软件。在分析软件中，可通过采用三次样条逼近(cubic spline approximation)进行背景处理以及去除Kα2峰，并使用Pearson﹣VII函数进行峰形拟合(profile fitting)求出各峰强度。应予说明，在化合物层与基材之间形成有各种层的情况下，为了不受这些层的影响，可通过薄膜X射线衍射法对各峰强度进行测定。此外，在与基材侧相反的化合物层的一侧形成有各种层的情况下，可通过抛光(buffing)除去各种层，然后，进行X射线衍射测定即可。另外，在本实施方式中，化合物层的晶体系可通过X射线衍射测定来确定。
图1是本实施方式的涂覆切削工具的一个示例的截面示意图。涂覆切削工具3包含基材1和形成于基材1的表面上的涂层2。
＜下部层＞
用于本实施方式的涂层可仅由化合物层构成，但优选地，基材和化合物层之间具有下部层。由此可进一步提高基材和化合物层之间的粘着性。其中，从与上述相同的角度来看，较为优选地，下部层包括由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及选自C、N、O和B组成的群组中的至少一种元素构成的化合物。更为优选地，下部层包括由选自Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及选自C、N、O和B组成的群组中的至少一种元素构成的化合物。进一步优选地，下部层包括由选自Ti、Ta、Cr、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及N构成的化合物。另外，下部层可以为单层，也可以为两层及多于两层。
在本实施方式中，当下部层的平均厚度为0.1μm以上3.5μm以下时，基材和涂层的粘着性趋于进一步提升，所以该厚度范围较为优选。从同样的角度来看，更优选地，下部层的平均厚度为0.2μm以上3.0μm以下，进一步优选地，下部层的平均厚度为0.3μm以上2.5μm以下。
＜上部层＞
在用于本实施方式的涂层中，在与基材相反的化合物层的一侧(即，化合物层的上层)，优选地，在化合物层的表面，具有上部层。当上部层包括由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及选自C、N、O和B组成的群组中的至少一种元素构成的化合物时，则耐磨性更加优异，进一步优选。从与上述相同的角度来看，更为优选地，上部层包括由选自Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及选自C、N、O和B组成的群组中的至少一种元素构成的化合物。进一步优选地，上部层包括由选自Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si和Y组成的群组中的至少一种元素以及N构成的化合物。另外，上部层可以为单层，也可以为两层及多于两层。
在本实施方式中，当上部层的平均厚度为0.1μm以上3.5μm以下时，耐磨性趋于进一步优异，所以该厚度范围较为优选。从同样的角度来看，更优选地，上部层的平均厚度为0.2μm以上3.0μm以下，进一步优选地，上部层的平均厚度为0.3μm以上2.5μm以下。
＜涂层的制备方法＞
本实施方式的涂层切削工具中涂层的制备方法没有特别限定，例如，可以是离子镀法、电弧离子镀法、溅射法以及离子混合法等物理气相沉积法。当使用物理气相沉积法形成涂层时，能够形成锐边(sharp edge)，因此是优选的。其中，电弧离子镀法使得涂层与基材的粘着性更加优异，因此更为优选。
＜涂覆切削工具的制造方法＞
下面使用具体例对本实施方式的涂覆切削工具的制造方法进行说明。应予说明，本实施方式的涂覆切削工具的制造方法并无特别限定，只要能够实现该涂覆切削工具的结构即可。
首先，将加工为工具形状的基材收容于物理气相沉积装置的反应容器内，并将金属蒸发源置于反应容器内。然后，对反应容器内进行抽真空，直至其压力达到1.0×10﹣2Pa以下的真空，并通过反应容器内的加热器将基材加热至基材温度为200℃～700℃。加热后，向反应容器内导入Ar气，使反应容器内的压力为0.5Pa～5.0Pa。在压力为0.5Pa～5.0Pa的Ar气环境下，对基材施加-500V～-350V的偏压，使40A～50A的电流流过反应容器内的钨丝，并对基材的表面实施利用Ar气的离子轰击处理。在对基材的表面实施离子轰击处理后，对反应容器内进行抽真空，直至其压力达到1.0×10﹣2Pa以下的真空。
在形成用于本实施方式的下部层时，将基材加热至基材温度达到400℃～600℃。加热后，向反应容器内导入气体，使反应容器内的压力为0.5Pa～5.0Pa。例如，在下部层由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y所组成的群组中的至少一种元素以及N组成的化合物构成的情况下，上述气体例如可以为N2气体；在下部层由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y组成的群组中的至少一种元素、N以及C组成的化合物构成的情况下，上述气体例如可以为N2气体和C2H2气体的混合气体。混合气体的体积比没有特别限定，例如，可以是N2气体:C2H2气体＝95:5～85:15。随后，对基材施加-80V～-40V的偏压，通过电弧电流100A～200A的电弧放电，使对应下部层金属成分的金属蒸发源蒸发而形成下部层即可。
在形成用于本实施方式的化合物层时，控制基材使基材温度达到200℃～300℃，向反应容器内导入氮气(N2)，将反应容器内的压力设为8.0Pa～10.0Pa。然后，对基材施加-400V～-200V的偏压，通过100A～200A的电弧放电使对应化合物层的金属成分的金属蒸发源蒸发，从而形成化合物层。通过分别调整金属蒸发源的电弧放电时间，能够对化合物层的厚度进行控制。
为了使用于本实施方式的化合物层中的X射线衍射强度比Ihex(100)/Icub(200)为指定值，在形成上述化合物层的过程中，调节基材的温度、调整偏压、调整各金属元素的原子比、或调整反应容器内的压力即可。更具体而言，在形成化合物层的过程中，如果降低基材的温度(300℃以下)、或加大负偏压(远离0的方向)，则Ihex(100)/Icub(200)趋于变小。另外，在形成化合物层的过程中，如果减小Al元素的原子比，增大Cr元素的原子比，则Ihex(100)/Icub(200)趋于变小。此外，如果增大Cr元素原子比与Ti元素原子比的比率(Cr/Ti)，则Ihex(100)/Icub(200)趋于变小。另外，在形成化合物层的过程中，如果增加反应容器内的压力(8.0Pa以上)，则Ihex(100)/Icub(200)趋于变小。
为了使用于本实施方式的化合物层中的结构为柱状晶体结构，在形成上述化合物层的过程中，调节基材的温度、或调整偏压即可。更具体而言，在形成化合物层的过程中，如果降低基材的温度(300℃以下)或加大负偏压(远离0的方向)，则化合物层中的结构趋于为柱状晶体结构。另外，如果化合物层中的粒子的平均粒径过小，则粒子的纵横比容易小于2，且化合物层中的结构趋于为粒状晶体结构。另外，在形成化合物的过程中，如果过于增大Al元素的原子比，或过于减小Cr元素的原子比或不包含Cr元素的原子比，则化合物层中的结构趋于为柱状晶体结构。
为了使用于本实施方式的化合物层中的粒子的平均粒径为指定值，在形成上述化合物层的过程中，调节基材的温度、调整偏压、或调整各金属元素的原子比即可。更具体而言，在形成化合物层的过程中，如果提高基材的温度或减小负偏压(靠近0一侧)，则化合物层中的粒子的平均粒径趋于变小。另外，在形成化合物层的过程中，如果增大Ti元素的原子比或增大Al元素的原子比，则化合物层中的粒子的平均粒径趋于变小。
为了使用于本实施方式的化合物层中的残余应力为指定值，在形成上述化合物层的过程中，将反应容器内设为氮气(N2)环境，且调整压力、调节基材的温度、或调整偏压即可。更具体而言，在形成化合物层的过程中，如果将反应容器内设为氮气(N2)环境，且增加反应容器内的压力(8.0Pa以上)、提高基材的温度、或减小负偏压(靠近0一侧)，则化合物层中的残余应力趋于变大。
在形成用于本实施方式的上部层时，通过与上述下部层相同的制备条件来形成即可。即，首先将基材加热至基材温度达到400℃～600℃。加热后，向反应容器内导入气体，使反应容器内的压力为0.5Pa～5.0Pa。例如，在上部层由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y所组成的群组中的至少一种元素以及N组成的化合物构成的情况下，上述气体例如可以为N2气体；在上部层由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y组成的群组中的至少一种元素、N以及C组成的化合物构成的情况下，上述气体例如可以为N2气体和C2H2气体的混合气体。混合气体的体积比没有特别限定，例如，可以是N2气体:C2H2气体＝95:5～85:15。随后，对基材施加-80V～-40V的偏压，通过电弧电流100A～200A的电弧放电，使对应上部层金属成分的金属蒸发源蒸发而形成上部层即可。
构成本实施方式的涂覆切削工具中的涂层的各层的厚度可通过使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等从涂覆切削工具的截面结构进行测定。应予说明，对于本实施方式的涂覆切削工具中的各层的平均厚度，可从与金属蒸发源相对的面的刀头棱线部朝向该面的中心部50μm的位置附近的3个以上的截面对各层的厚度进行测定，并计算其平均值(算术平均值)，从而求得各层的平均厚度。
此外，构成本实施方式的涂覆切削工具中的涂层的各层的成分可通过使用能量分散型X射线分析装置(EDS)或波长分散型X射线分析装置(WDS)等从本实施方式的涂覆切削工具的截面结构来进行测定。
由于本实施方式的涂覆切削工具至少在耐磨性和耐破损性方面优异，因此与以往相比，可以发挥延长工具寿命的效果(但是，可延长工具寿命的主要原因并不限定于上述原因)。本实施方式的涂覆切削工具的种类例如具体可以是用于铣削加工或车削加工的刀头更换式切削刀片、钻头以及立铣刀等。
实施例
下面，通过实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限定于这些实施例。
(实施例1)
准备SWMT13T3AFPR-MJ(株式会社TUNGALOY制造)的刀片(具有89.8％WC-9.8％Co-0.4％Cr3C2(质量％)的成分的硬质合金)作为基材。在电弧离子镀装置的反应容器内配置金属蒸发源，以得到如表1所示的化合物层的成分。将准备好的基材固定于反应容器内的旋转工作台的固定支架上。
然后，对反应容器内进行抽真空，直至其压力达到5.0×10-3Pa以下的真空。抽真空后，通过反应容器内的加热器，将基材加热至基材温度达到450℃。加热后，向反应容器内导入Ar气体使其压力变为2.7Pa。
在压力为2.7Pa的Ar气体环境下，对基材施加-400V的偏压，并使40A的电流流过反应容器内的钨丝，对基材的表面进行利用Ar气体的离子轰击处理30分钟。在离子轰击处理完毕后，对反应容器内进行抽真空，直至其压力达到5.0×10﹣3Pa以下的真空。
对于发明品1～19和比较品1～10，抽真空后，控制基材使基材温度变为表2所示的温度(开始成膜时的温度)，将氮气(N2)导入反应容器内，并将反应容器内的压力调整为表2所示的压力。然后，对基材施加表2所示的偏压，通过表2所示的电弧电流的电弧放电，使表1所示的成分的化合物层的金属蒸发源蒸发而在基材的表面形成化合物层。此时，控制反应容器内的压力为表2所示的压力。此外，调整控制各自的电弧放电时间，以使化合物层的厚度达到表1所示厚度。
在基材的表面形成达到表1所示的指定的平均厚度的化合物层，然后，切断加热器的电源，在试样温度达到100℃以下后，从反应容器内取出试样。
表1
表2
对于得到的试样的化合物层的平均厚度，通过对从与金属蒸发源相对的涂覆切削工具的一面的刀头棱线部朝向该面的中心部50μm的位置附近的3个截面进行TEM观察，来测定化合物层的厚度，并计算其平均值(算术平均值)而求得。其结果在表1中示出。
对于得到的试样的化合物层的成分，在从与金属蒸发源相对的涂覆切削工具的一面的刀头棱线部朝向中心部直至50μm的位置附近的截面中，使用TEM附带的EDS进行测定。其结果也一并在表1中示出。应予说明，表1的化合物层的金属元素的成分比表示构成化合物层的金属化合物中的各金属元素相对于金属元素整体的原子比。
＜Ihex(100)/Icub(200)＞
对于得到的试样化合物层中的比Ihex(100)/Icub(200)，使用株式会社Rigaku(リガク)制造的型号为RINT TTRIII的X射线衍射装置进行测定。具体来说，在下列条件下对化合物层的(200)面的峰强度Icub(200)和化合物层的(100)面的峰强度Ihex(100)进行利用Cu﹣Kα射线的2θ/θ聚焦法光学系统的X射线衍射测定，计算出比Ihex(100)/Icub(200)。上述条件为：输出功率：50kV、250mA；入射侧梭拉狭缝：5°；发散纵向狭缝：2/3°；发散纵向限位狭缝：5mm；散射狭缝：2/3°；受光侧梭拉狭缝：5°；受光狭缝：0.3mm；BENT单色器；受光单色狭缝：0.8mm；取样宽度：0.01°；扫描速度：4°/分；2θ测定范围：20～50°。比Ihex(100)/Icub(200)的结果在表3中示出。应予说明，化合物层的晶体系也可通过X射线衍射测定来确定。
＜残余应力＞
对于得到的试样，通过使用X射线衍射装置的sin2ψ法，对化合物层的残余应力进行测定。对于残余应力，测定与切削相关的部位所包含的任意3点的应力，将其平均值(算术平均值)作为化合物层的残余应力。其结果在表3中示出。
＜粒子的形状、纵横比以及平均粒径＞
对于得到的试样的化合物层中的粒子的形状、纵横比以及平均粒径，使用市售的透射电子显微镜(TEM)进行测定。具体来说，比如，首先使用聚焦离子束(FIB)设备来制作以化合物层的截面(与观察涂层厚度时相同方向的截面：相对于基材表面的垂直方向)作为观察面的薄膜试样。对于制作的试样的观察面，拍摄扫描透射电子像(STEM像)的图片。此时，在垂直于基材的方向上，STEM像包括化合物层所占的所有领域，在与基材表面平行的方向上，STEM像包括10.0μm的领域。在拍摄的图片中，将化合物层中存在的所有粒子的构成化合物层的粒子中与基材表面平行的方向的轴的值作为粒径，将其平均值作为化合物层的平均粒径。
另外，化合物层中的纵横比按照以下方式求得。在用于测定平均粒径的晶粒中，将涂层的厚度方向的轴的值作为晶粒的高度。该晶粒的高度除以粒径的值得到的数值为纵横比。
按照上述方法测定的化合物层中的纵横比为2以上的晶粒的数量如果为总晶粒数的50％以上，即为柱状晶体结构。另外，按照上述方法测定的化合物层中的纵横比为2以上的晶粒的数量如果小于总晶粒数的50％，即纵横比小于2的晶粒的数量如果为总晶粒数的50％以上，即为粒状晶体结构。特定的各粒子的形状以及平均粒径的结果在表3中示出。
表3
使用得到的试样进行以下的切削试验并进行评价。
＜切削试验＞
被切削材料：FCD600；
被切削材料形状：60mm×100mm×200mm的板；
切削速度：150m/分钟；
每刃进给量：0.2mm/tooth；
切削深度：2.0mm；
切削宽度：100mm；
冷却剂：Dry(不使用)；
评价项目：以直至试样发生崩裂(宽度为0.2mm以上)或破损时作为工具寿命，测定到工具寿命为止的加工时间。应予说明，本切削试验在难以产生突发破损等的加工条件下进行，随着试样侧面的磨损，切削刃的强度不足，从而发生崩裂或破损。因此，直至工具寿命为止的加工时间越长意味着耐破损性以及耐磨性越优异，尤其是耐磨性越优异。得到的评价的结果在表4中示出。
表4
根据表4所示的结果，发明品的加工时间为80分钟以上，比所有的比较品的加工时间长。
根据以上的结果可知，通过提高耐磨性和耐破损性，可延长发明品的工具寿命。
产业上的可利用性
本发明的涂覆切削工具由于具有优异的耐磨性和耐破损性，与以往相比，可以延长工具寿命，在这一点上，在产业上的可利用性较高。
主要元件符号说明
1…基材、2…涂层、3…涂覆切削工具。
Claims (5)
1.一种涂覆切削工具，包含基材和形成于所述基材上的涂层，
所述涂层具有包含化合物的化合物层，所述化合物的成分如下述式(1)所示：
(AlxCryTi1﹣x﹣y)N 式(1)
在所述式(1)中，x表示Al元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.70≦x≦0.95；y表示Cr元素相对于Al元素、Cr元素和Ti元素的总量的原子比，并满足0.04≦y≦0.21；1﹣x﹣y＞0；
所述化合物层中Cr元素与Ti元素的比值(Cr/Ti)为1.0以上2.5以下；
所述化合物层的平均厚度为2.0μm以上10.0μm以下。
2.根据权利要求1所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层的残余应力为-10.0GPa以上-2.0GPa以下。
3.根据权利要求1或2所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层中的粒子的平均粒径为10nm以上300nm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涂覆切削工具，其中，在所述化合物层中，当立方晶体(200)面的衍射峰强度为Icub(200)、六方晶体(100)面的衍射峰强度为Ihex(100)时，Ihex(100)/Icub(200)为0.2以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涂覆切削工具，其中，所述化合物层为柱状晶体结构。
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