CN1942274A - 一种表面被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供表面被覆切削工具，所述的表面被覆切削工具即使在例如喷雾切削加工的使用条件下使用时，也具有优异的润滑性和较长的工具使用寿命。在本发明的表面被覆切削工具中，由最外层和内层构成的涂层被设置在基材表面上。所述内层由在日本使用的元素周期表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si和B这些元素的化合物形成。所述最外层由氮化铝或碳氮化铝形成。所述最外层中含有大于0并且不超过0.5原子％的氯。通过向氮化铝形成的膜中加入预定量的氯，就使得在切削加工过程中保护涂层更容易在工具表面上形成，从而提供热稳定性和润滑性。通过使用这种保护涂层，可以使润滑性提高。

Description

一种表面被覆切削工具
技术领域
本发明涉及在基材表面上具有涂层的切削工具，例如更换型刀头或钻头。
更具体地说，本发明涉及润滑性优异的表面被覆切削工具，其适合于切削铜等。
背景技术
切削工具广为人知的例子包括：更换型刀头(insert)，用于车铣加工；端铣刀，通常用于对各种金属进行侧铣加工、斜切加工和铣槽加工；以及钻头，用于钻孔。这些端铣刀和钻头形成有包括切削部的部分(其被称为主体(body))以及被安装在驱动装置上的部分(其被称为柄)。主体的实例包括：整体主体，其中所述主体是由切削部和支持部一体形成的，该支持部包含用于支持切削部并使切屑排出的排屑槽；钎焊主体，其中切削部被钎焊到支持部上；以及更换型主体，其中切削部既可以被附着到支持部上，也可以从支持部上移走。通常，整体主体是由高速工具钢或硬质合金制成的。钎焊主体是通过将由诸如硬质合金之类的硬质材料制成的切削部钎焊到由高速工具钢制成的支持部上而形成的。
近年来，人们已经开发出多种切削工具材料来满足切削加工的高效率和高精度的要求。在开发这些材料的进程中，陶瓷涂层技术已经成为切削工具中的关键技术，在陶瓷涂层技术中，由陶瓷形成的涂层被施加到工具基材的表面上。例如，广为人知的是：对于在高速高进给条件下的高速高效率的加工中所使用的切削工具，使用钛系陶瓷(例如碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)和碳氮化钛(Ti(C，N)))和氧化物系陶瓷(例如氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2))来形成该切削工具的涂层。
专利文献1描述了这样的更换型刀头，其具有取向指数(由X射线衍射试验得到)确定的涂层。该刀头被使用在高速高进给条件下的高速高效率的加工中。这种陶瓷涂层技术除了被用于更换型刀头以外，还逐渐被广泛应用在端铣刀和钻头常用的整体型工具和钎焊工具中。
在切削工具上引入陶瓷涂层可以提高表面硬度和耐热性，并且使所述工具可以进行在高速高进给条件下的高速高效率的加工。除了这种高速高效率的加工以外，近年来保护环境的加工方法(例如喷雾切削(该方法使切削油的用量大幅度减少)或干式切削(该方法不使用切削油))也受到了人们的关注。为了进行上述这些类型的加工方法，人们提出了这样的更换型刀头和钻头，其中更换型刀头具有抗熔接性优异的涂层或具有带有切屑滑动特征的涂层(参见专利文献2和专利文献3)，钻头具有带有润滑性的CrN膜(参见专利文献4)。此外还提出了这样的切削工具，该切削工具具有诸如使散热性等增强的氮化铝涂层(参见专利文献5到专利文献12)。
[专利文献1]日本专利申请公开No.平11-124672
[专利文献2]日本专利申请公开No.平10-158861
[专利文献3]日本专利申请公开No.2003-225808
[专利文献4]日本专利申请公开No.2003-275911
[专利文献5]日本专利公告No.昭59-27382
[专利文献6]日本发明专利No.2861113
[专利文献7]日本专利申请公开No.2002-273607
[专利文献8]日本专利申请公开No.2002-263933
[专利文献9]日本专利申请公开No.2002-263941
[专利文献10]日本专利申请公开No.2003-19604
[专利文献11]日本专利申请公开No.2003-25112
[专利文献12]日本专利公告No.昭59-27302
发明内容
然而，所有上述常规切削工具的润滑性都不够充分，特别是对于喷雾切削和不使用切削油的干式切削更是如此。这导致工具使用寿命缩短。因此，需要提高润滑性，从而可以延长工具使用寿命。特别是对于端铣刀和钻头而言，为了提高切屑通过形成于主体上的排屑槽而被排出的切屑排出性，具有优异的润滑性是至关重要的。对于易于熔接的切削材料以及对于钻深孔的情况，切屑排出性至关重要，在这类情况下，优异的润滑性也是优选的。
本发明的主要目的是提供一种润滑性得到提高并且工具使用寿命更长的表面被覆切削工具。
本发明通过如下方法来达到上述目的：限定最外层的组成使其含有预定的元素，从而使得切削过程中与工件首先接触的最外层具有润滑性；并且限定内层的组成，以提高耐磨性和抗破损性。
更具体地说，本发明提供一种在基材表面上具有涂层的表面被覆切削工具。所述涂层由在基材上形成的内层以及在所述内层上形成的最外层构成。所述最外层和所述内层满足以下条件。
<内层>
内层由化合物形成，该化合物由第一元素和第二元素构成，第一元素是至少一种选自在日本使用的元素周期表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si和B中的元素，第二元素是至少一种选自B、C、N和O中的元素(但是如果第一元素本身就是B，则第二元素必须是除B以外的元素)。
<最外层>
最外层由氮化铝或碳氮化铝形成。最外层中含有大于0并且不超过0.5原子％的氯。
为了使切削工具即使是在被用于苛刻条件下的使用环境中时，其使用寿命也能被延长，本发明对涂层和涂层性能的改善方式之间的相互关系进行了研究，所述苛刻条件的使用环境为例如：在用于车削等加工中的更换型刀头的情况中，使切削刃产生高温的切削加工，例如不使用切削油的干式切削和间歇式切削；以及在钻头和端铣刀的情况中的切削加工，例如喷雾切削、干式切削、钻孔以及对容易发生熔接的工件的切削加工。结果发现：通过使用润滑性优异的涂膜作为最外层并且用具有预定组成的膜来形成内层，可以有效地延长工具使用寿命。更具体地说，通过如上所述的由氮化铝(其中含有预定量的氯)形成的膜来形成最外层，即使是在诸如干式切削、间歇式切削和钻孔之类的切削加工中，也可以获得润滑性。结果使抗熔接性提高并且可以防止涂层剥离。在用于车削等加工中的更换型刀头的情况中：1.优异的润滑性使工具所受到的切削力减小，而且，通过由具有预定组成的膜来形成内层可以使抗破损性和耐磨性提高；并且2.通过使用润滑性优异的膜，使切削后工件表面由于与切削工具接触而产生的“碎片”减少，由此得到高品质高精度的工件。此外，在钻头和端铣刀的情况中：1.优异的润滑性使工具所受到的切削力减小，并且使切屑排出性和抗折损性提高，而在内层中使用具有预定组成的膜使得耐磨性、抗破碎性(chipping resistance)和抗破损性都提高；并且2.通过使用润滑性优异的涂层，可以提高产品的品质(例如可以提高孔的圆度)，从而得到具有高品质高精度的工件产品。本发明基于上述这些观察结果而被提出。
目前认为是下列原因造成了如上所述的工具使用寿命的延长。氮化铝膜具有热稳定性和润滑性。此外，当氮化铝膜含有预定量的氯时，在用其切削刃温度容易升高的更换型刀头进行切削加工(例如干式切削加工和高速高进给的切削加工)的情况中，当切削过程中切削刃达到约900℃的高温时，容易在工具表面上形成保护膜。这种保护膜可以提高润滑性并且被认为是可以提高工具的抗熔接性。此外，通过以预定的组成形成内层的膜，看来可以避免耐磨性的降低，由此可以得到既具有优异的润滑性又具有优异的耐磨性的工具。对于钻头和端铣刀而言，使用氮化铝膜(含有预定量的氯)被认为可以使切屑和切削相关区域(具体地说，是切削刃处的工具表面和排屑槽部位)之间的摩擦系数减小。因此，一般认为：在切削刃周围的区域，必须消耗在产生切屑上的工作量被减小，并且切屑更容易被排出，从而使得用于切削加工(例如干式切削加工、深度钻孔加工以及对容易发生熔接的工件的切削加工)的工具使用寿命足够长，同时还使工件的品质和切削精度都得到提高。一般还认为：通过在最外层中包含预定量的氯，不仅使摩擦系数减小，而且在容易使切削刃产生高温高压的切削加工(例如干式切削和深度钻孔)中，还会使得在工具表面上形成保护膜变得更加容易。这种保护膜被认为可以提高工具的润滑性，从而使工具的抗熔接性得到提高。此外，还认为：通过由具有预定组成的膜来形成内层，可以避免耐磨性降低，从而可以得到既具有优异的润滑性又具有优异的耐磨性的工具。以下将进一步详细地描述本发明。
(涂层)
<最外层>
在本发明中，最外层(在进行切削加工时其与工件首先接触)是由含铝化合物(例如氮化铝或碳氮化铝)形成的。另外，在本发明中，在这种由氮化铝形成的膜中含有氯。更具体地说，在最外层中含有大于0并且不超过0.5原子％的氯。最外层中含有不超过0.5原子％的氯使得在高温切削环境中可以形成保护膜，由此提高润滑性。如果氯含量超过0.5原子％，则形成最外层的膜可能容易被剥离。如果最外层中不含氯，则不能形成上述保护膜。特别优选的是，氯含量不低于0.07原子％并且不超过0.3原子％。如果采用化学气相沉积(CVD)技术(例如热CVD技术或等离子体CVD技术)来形成在最外层中含有大于0并且不超过0.5原子％的氯的氮化铝膜，则反应气体可以是含氯的气体，例如氯化氢(HCl)。在这种情况下，氯化氢的含量可以是大于0而小于5.0体积％，并且更具体地说，其含量不超过1.0体积％，其中整个反应气体被定义为100体积％。如果采用物理气相沉积(PVD)技术(例如电弧离子镀膜技术或磁控溅射技术)来形成所述氮化铝膜，则可以在成膜之后采用离子注入法来注入氯离子。可以通过适当控制注入量来调节最外层中的氯含量。
最外层还可以含有氧。更具体地说，最外层除了可以形成为氮化铝膜和碳氮化铝膜之外，还可以形成为氮氧化铝膜或碳氮氧化铝膜。含有氧使得保护膜更容易形成。
对于这种最外层而言，其膜厚优选为不超过内层(下文将描述)总膜厚的1/2。这样可以使涂层(例如用于形成保护膜的涂层)在耐磨性和润滑性之间得到合适的平衡。如果最外层的膜厚超过内层总厚度的1/2，则最外层变得太厚，因此虽然得到了优异的润滑性，但是容易产生磨损，这样可能会导致较短的工具使用寿命。更具体地说，如果本发明的切削工具是更换型刀头的话，则最外层的膜厚优选为不低于0.03微米并且不超过10微米。如果本发明的切削工具是钻头或端铣刀的话，则最外层的膜厚优选为不低于0.03微米并且不超过8微米。如果所述厚度小于0.03微米，则难以获得充分的润滑性。如果所述厚度超过10微米或8微米，则如上所述，最外层变得比内层厚，容易使耐磨性降低。膜厚可以通过以下方法来测量，例如通过切断切削工具(例如带有涂层的刀头或钻头)，并且在扫描电子显微镜(SEM)下观察其断面。
对于最外层，优选的是，最外层在切削刃脊线附近与上件相接触的区域上的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)为不超过1.3微米，其中所述粗糙度是通过观察切削工具的断面而测出的。基于本发明人的研究，已经发现：当最外层的上述这些接触区域处的表面粗糙度Rmax超过1.3微米时，工件容易发生熔接，因此难以发挥润滑效果。表面粗糙度是通过以下步骤来测量的：在形成最外层之后切断基材；在该断面上进行研磨；使用冶金显微镜或电子显微镜来观察膜表面上的粗糙程度；以及在基准长度为5微米的条件下确定最大表面粗糙度(Rmax)，由此排除宏观的隆起部分等。此外，可以通过一定的成膜条件将这种表面粗糙度控制为某种程度。例如，在较高的成膜温度下，晶体结构变得更为粗糙，进而通过延伸，膜表面的表面粗糙度将会较大。因此，可以降低成膜温度以降低表面粗糙度。由此，当膜是在成膜后不要求特殊处理的情况下形成的时候，可以将Rmax设定为不超过1.3微米。但是，也可以在成膜后通过以下方法来改变其表面粗糙度，例如通过用抛光轮、刷子、滚筒和弹性砂轮等进行研磨的方法，或者通过用微喷砂技术、喷丸处理技术或离子束辐射技术进行表面改质的方法。
<内层>
内层由化合物形成，该化合物由第一元素和第二元素构成，第一元素是至少一种选自在日本使用的元素周期表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si和B中的元素，第二元素是至少一种选自B、C、N和O中的元素(但是如果第一元素本身就是B，则第二元素必须是除B以外的元素)。更具体地说，由含Ti化合物(例如TiCN、TiN、TiBN和TiCNO)形成的膜以及由氧化物(例如Al2O3和ZrO2)形成的膜具有优异的耐磨性，并且是优选的。此外，因为TiN对基材具有良好的粘合性，所以优选将其用作最内层。内层可以由单层膜形成，或者可以由多层膜形成。如果内层由多层膜形成，则多层膜中的各层膜应该具有不同的组成或结构。可以通过CVD技术(例如热CVD技术或等离子体CVD技术)或者通过PVD技术(例如电弧离子镀膜技术或磁控溅射技术)来形成内层。可以采用广为人知的条件来形成该层。
通过用如上所述的含Ti化合物膜形成内层，得到了优异的耐磨性。更具体地说，由TiCN形成的膜是合适的，特别优选的是使用具有柱状结构的TiCN膜。此外，更优选的是使用由具有以下这种柱状结构的TiCN形成的膜：该柱状结构的纵横比不小于3，其中晶面(220)、晶面(311)或晶面(422)各自的取向指数(取向强度系数)TC(220)、TC(311)或TC(422)是最大取向指数。通过使用其结构具有预定形状并且其晶面具有预定取向的TiCN膜，即使是在苛刻的切削环境(例如切削刃达到高温的切削环境)中，也可以得到更高的耐磨性和更长的工具使用寿命。
柱状结构被限定为：其纵横比不小于3，这是因为如果纵横比小于3，则在高温切削条件下往往会降低耐磨性。用粒状结构难以获得理想的耐磨性。
例如，如果膜是采用CVD技术形成的，则可以通过以下方式来形成柱状结构：使用原料气体，该原料气体是使得柱状结构易于形成的有机碳氮化物，例如CH3CN；并且控制反应气氛的温度(不低于800℃并且不超过950℃)和压力(不低于4.0kPa并且不超过80kPa)。如果使用有机碳氮化物以外的气体，则可以提高膜的生长速度，可以提高成膜温度，还可以提高原料气体的浓度，等等。纵横比不低于3可以通过例如以下方式来达到：减小晶体的平均晶粒尺寸(优选为不低于0.05微米并且不超过1.5微米)，并且生长出具有柱状结构的膜结构。这可以通过例如以下方式来实施：适当调节TiCN膜的成膜条件(成膜温度、成膜压力、气体组成、气体流速和气体流量等)。还可以适当调节位于TiCN膜之下或直接位于TiCN膜之下的基材的表面状态，或者调节位于TiCN膜之下或直接位于TiCN膜之下的涂膜的表面状态。更具体地说，例如，可以将基材表面的表面粗糙度控制成为其Rmax(基准长度为5微米)为不低于0.05微米并且不超过1.5微米，并且通过适当改变成膜条件来形成TiCN膜。可供选用的其它方式是，可以控制某膜的表面粗糙度、化学状态或晶粒直径(优选为不低于0.01微米并且不超过1.0微米)等，并且在适当调节成膜条件的情况下在该膜的上面形成TiCN膜。
上述纵横比可以(例如)以如下方式来测量。对涂层的断面进行镜面抛光，并且对柱状结构TiCN膜中的结构的晶粒边界进行蚀刻。然后，在对应于TiCN膜的1/2膜厚的位置处，把单个晶体在平行于基材方向上的宽度看作是晶粒尺寸，测量各晶体的晶粒直径并计算出平均值(用该平均值作为平均晶粒尺寸)。平均晶粒尺寸与膜厚之间的关系是通过将膜厚除以所得到的平均晶粒尺寸来计算的，并且可以用该计算值作为纵横比。
如上所述，这种具有预定纵横比的TiCN膜的晶面具有预定的晶体取向。取向指数TC定义如下。
[等式1]
TC ( hk 1 ) = I ( hk 1 ) I 0 ( hk 1 ) ( 1 8 &Sigma; I ( hk 1 ) I 0 ( hk 1 ) ) - 1
I(hk1)：测出的(hk1)面的衍射强度；I0(hk1)：根据形成(hk1)面的该金属的碳化物以及该金属的氮化物的JCPDS卡片而得到的平均粉末衍射强度；(hkl)：八个晶面(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)。
使取向指数(取向强度系数)TC(311)、TC(220)或TC(422)中的一个成为最大可以通过以下方式来实现：适当调节TiCN膜的成膜条件(成膜温度、成膜压力、气体组成、气体流速和气体流量等)。还可以适当调节位于TiCN膜之下或直接位于TiCN膜之下的基材的表面状态，或者调节位于TiCN膜之下或直接位于TiCN膜之下的涂膜的表面状态。更具体地说，例如，可以在适当调节成膜条件的情况下，在被先被预制备为其表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)不低于0.05微米并且不超过1.5微米的基材上形成TiCN膜。可供选用的其它方式是，对于多层膜中的一层膜，可以控制这层膜的表面粗糙度、晶粒的化学状态和晶粒尺寸等，然后可以在适当调节成膜条件的情况下在这层膜的上面形成TiCN膜。
优选的是，从基材的平坦部分(光滑部分)测量衍射强度，因此基材上的表面凹陷处不会产生反射。此外，JCPDS卡片(由国际衍射数据中心JCPDS公布的粉末衍射数据卡片)没有提供对在日本使用的元素周期表IVa、Va和VIa族金属的碳氮化物的X射线衍射强度的鉴定。因此，可以通过如下方式得到对TiCN(TiCN是这些碳氮化物中的一种)膜的衍射强度的鉴定：把钛(Ti，其是TiCN中对应的金属)的碳化物的衍射数据、该金属的氮化物的衍射数据以及测得的TiCN碳氮化物的衍射数据进行比较。以此为基础，可以估计出晶面指数，并且可以得到各晶面指数的衍射强度。
如果内层是由多层膜形成的，则多层膜中的至少一层可以是如上所述的具有预定纵横比等特征的TiCN膜，并且多层膜中的其它层可以是如上所述的由第一元素和第二元素构成的化合物膜。因此，内层可以由这种TiCN膜和这种化合物膜形成。所述化合物膜可以是其组成与所述TiCN膜不同的膜，或者可以是其结构或取向情况与所述TiCN膜不同的TiCN膜。TiCN膜可以是单层膜或者可以是多层膜。化合物膜或TiCN膜的位置可以被设置成与基材比较接近。换言之，从基材侧开始，所述结构可以是TiCN膜、化合物膜和最外层，或者可以是化合物膜、TiCN膜和最外层。
如果本发明的切削工具是更换型刀头的话，则由最外层和内层形成的涂层的膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过30.0微米。如果整个涂层的膜厚小于0.1微米，则变得难以得到更高的耐磨性。如果所述厚度超过30.0微米，则虽然较厚的涂层使耐磨性提高，但是硬度的增大往往会增加裂纹，从而导致工具使用寿命被缩短并且难以进行稳定的切削加工。如果本发明的切削工具是钻头或端铣刀的话，则由最外层和内层形成的涂层的膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过24微米。如果整个涂层的膜厚小于0.1微米，则往往会变得难以得到更高的耐磨性。如果所述厚度超过24微米，则虽然较厚的涂层使耐磨性提高，但是使抗剥离性和抗破损性降低。这会导致频繁出现碎屑，因此难以进行稳定的切削加工。
上述最外层优选为由这样的膜形成，该膜的膜硬度小于形成内层的多层膜中的至少一层的膜硬度。换言之，内层优选为含有这样的膜，该膜的膜硬度大于最外层的膜硬度。在工具与工件开始接合时或者在间歇式切削加工中，在具有膜硬度低的最外层的情况下，可以防止出现裂纹。这样就可以进行稳定的切削加工。除了可以改变膜的组成来调节膜的硬度以外，还可以通过由成膜条件控制膜的结构，来调节膜的硬度。假设膜的组成相同，则在膜的结构较细小时，膜的硬度往往会较大。可以通过如下方式来测量膜的硬度：切断带有涂层的切削工具(例如刀头或钻头)，并且测量断面的硬度。
涂层至少涂敷了与切削相关的基材表面区域。涂层可以覆盖全部的基材表面。例如，在更换型刀头的情况中，切削相关区域是切削刃脊线、前刀面和后刀面。在端铣刀或钻头的情况中，切削相关区域是通常被称作主体的部分，其由切削部和支持部构成。图1(A)是端铣刀的简化正视图。图1(B)是钻头的简化正视图。更具体地说，在端铣刀的情况中，如图1(A)所示，切削相关区域是：切削刃部，其由端面(副切削刃1)和侧面(周边切削刃2)构成；以及排屑槽3，其与切屑相接触。可以用下述情况来代替仅在主体上形成涂层的情况：涂层从主体4(其中从端面开始形成排屑槽)开始延伸到被称为柄5(其被安装在驱动装置上)的部分。在钻头的情况中，切削相关区域是：钻尖6，其与实际的切削加工过程相关；以及沟槽(排屑槽)7，其与切屑相接触。对于钻头也是一样，可以用下述情况来代替仅在主体8上形成涂层的情况：涂层从主体8(其中形成端部和排屑槽)开始延伸到柄9(其被安装在驱动装置上)。可以通过以下方式得到不形成涂层的区域：可以在成膜过程中适当地进行遮盖，或者可以在成膜之后进行研磨等处理以除去膜。
当然，在基材表面上形成由最外层和内层构成的涂膜之后，可以如常规技术一样，对切削刃脊线进行表面处理(例如研磨处理或者对其应用激光)。对于本发明的切削工具而言，这类表面处理不会使涂层的特性明显降低。
(基材)
本发明的基材、特别是与切削相关的基材区域优选为由以下材料制成：WC系硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体或氮化硅烧结体。更具体地说，如果本发明的切削工具是钻头或端铣刀的话，则优选的是，至少与切削相关的基材区域是由以下材料制成的：WC系硬质合金、金属陶瓷、高速钢或立方氮化硼烧结体。如果采用由WC系硬质合金或金属陶瓷制成的基材，则可以发挥本发明的效果，即使在基材表面上或与切削相关的基材表面区域上具有表面改质层，例如：“脱β层”，其中已经除去了非WC硬质相；富含粘结剂的层，其含有丰富的粘结剂并且已经从中除去了硬质相；或硬化的表面层，其中已经除去了粘结剂相。
本发明可以实施于多种切削工具，例如钻头、端铣刀、可更换型铣削刀头，可更换型车削刀头、金属锯、齿轮切削刀具、铰刀和丝锥。本发明特别适用于更换型刀头、钻头和端铣刀。对于钻头和端铣刀而言，本发明可用于：整体型钻头和端铣刀，其中切削部和支持部是一体地烧结或形成的；或钎焊结构的钻头和端铣刀，其中切削部被钎焊到支持部上；而非其中切削部和支持部可以被连接或者被拆开的更换型(切削刃可更换)工具。在钎焊工具的情况中，优选为采用成膜温度相对较低的PVD技术来形成涂层。对于整体型工具，可以采用PVD技术或成膜温度相对较高的CVD技术来形成涂层。
如上所述的本发明的表面被覆切削工具具有预定的涂层。因此，其具有优异的润滑性，以及优异的耐磨性、抗剥离性、抗破损性和抗折损性。因此，即使是在切削条件苛刻的使用环境下，也可以得到优异的切削性能和延长的使用寿命，所述的切削条件苛刻的使用环境可为例如：干式切削加工、深度钻孔加工、对容易发生熔接的工件的切削加工，以及诸如高速高效率的切削加工(其中切削刃经受高温)之类的其它切削加工。
特别是，由于本发明的表面被覆切削工具在内层中具有预定的TiCN膜，所以既可以获得优异的润滑性，又可以获得优异的耐磨性，并且即使是在如上所述的苛刻的使用环境下，也可以延长工具使用寿命并获得优异的切削特性。
实施本发明的最佳方式
以下将描述本发明的实施方案。
[第一实施例]
以下将采用车削用更换型刀头作为实例对本发明进行更为具体的描述。
(试验例1-1)
准备这样的粉末，该粉末含有86质量％的WC、8.0质量％的Co、2.0质量％的TiC、2.0质量％的NbC和2.0质量％的ZrC。用球磨机将该粉末湿混72小时、干燥，然后压制成带有断屑槽结构的生坯。将这种生坯置于烧结炉中，在1420℃下于真空气氛中加热1小时，得到烧结体。在所得到的烧结体的切削刃脊线的位置处用SiC刷进行珩磨并且进行斜切加工，最终得到由WC系硬质合金制成的ISO SNMG120408更换型刀头。
采用化学气相沉积技术中的热CVD技术在基材表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：由TiN(0.5)、TiCN(6)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(2)形成的内层；以及由AlN(3)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。表1示出各种膜的成膜条件的例子。具体地说，表1示出了反应气体的组成(体积％)、成膜时施加的压力(kPa)和成膜温度(℃)。通过控制成膜时间来控制膜厚。如表1所示，通过改变成膜条件，制备了其中最外层的AlN膜具有不同氯含量的试验样品。表2示出最外层的氯含量。具体地说，制备了氯含量大于0并且不超过0.5原子％的样品、氯含量大于0.5原子％的样品以及不含氯的样品。如表1所示，通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品1-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量，但是也可以结合透射电子显微镜使用微区EDX(能量色散X射线光谱法)、或者使用SIMS(二次离子质谱法)来研究组成。此外，还研究了试验样品中各层的努普硬度，并且发现：在所有的情况中，最外层AlN膜的硬度都比内层TiCN膜的低。
[表1]
  涂层   反应气体组成(体积％)   压力(kPa)   温度(℃)
AlN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlCN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CH4：0.5-5.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlON*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CO2：0.2-3.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
  AlN*2   AlCl3：1.5％，NH3：1.0％，N2：40％，H2：其余部分   5.0   1000
AlN*3   AlCl3：1.5％，NH3：3.0％，N2：40％，HCl：5.0％，H2：其余部分 13.3 950
AlON*2   AlCl3：1.5％，NH3：6.0％，N2：40％，CO2：1.0％，H2：其余部分 6.8 1100
  TiN   TiCl4：2.0％，N2：25％，H2：其余部分   13.3   950
  TiC   TiCl4：2.0％，CN4：5％，H2：其余部分   13.3   1050
  TiCN   TiCl4：2.0％，CH3CN：0.6％，N2：20％，H2：其余部分   6.7-80   800-950
  ZrCN   ZrCl4：1.0％，CH3CN：0.6％，N2：35％，H2：其余部分   6.7   890
TiZrCN   TiCl4：1.5％，ZrCl4：1.0％，CH3CN：1.0％，N2：45％，H2：其余部分 6.7 975
  TiCNO   TiCl4：2.0％，CO2：2.5％，N2：8％，H2：其余部分   6.7   975
  TiBN   TiCl4：2.0％，BCl3：5.0％，N2：5.0％，H2：其余部分   13.3   950
  HfCN   HfCl4：1.0％，CH3CN：1.2％，N2：40％，H2：其余部分   6.7   1025
  αAl2O3   AlCl3：2.0％，H2S：0.3％，CO2：5.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  κAl2O3   AlCl3：2.0％，CO2：5.0％，CO：0.5％，H2：其余部分   6.7   1000
  ZrO2   ZrCl4：2.0％，CO2：7.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  Al2O3-ZrO2   AlCl3：1.5％，ZrCl4：0.3％，CO2：9.0％，H2：其余部分   13.3   1070
*1：氯含量大于0并且不超过0.5原子％
*2：不含氯
*3：氯含量大于0.5原子％
[表2]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  1-1   AlN*1   0.02
  1-2   AlN*1   0.15
  1-3   AlN*1   0.49
  1-4   AlN*2   0
  1-5   AlN*3   0.90
使用其最外层如表2所示的、表面被覆的更换型刀头，采用表3所示的切削条件进行切削加工。测量达到工具使用寿命的切削时间。在抗剥离性试验中，反复进行切削加工，将后刀面由于膜剥离而被磨损至少0.3mm时的时间点定义为工具使用寿命的终点。在抗破损试验中，进行间歇式切削加工，将发生破损时的时间点定义为工具使用寿命的终点。试验结果示于表4中。
[表3]
  抗剥离性试验   抗破损性试验
工件   S15C棒3秒反复试验 S45C凹槽棒
  速度   V＝300m/分钟   V＝260m/分钟
  进给量   f＝0.3mm/转   f＝0.2mm/转
  切削深度   d＝1.0mm   d＝1.5mm
  切削油   无   无
[表4]
试验样品号            切削时间(分钟)
  抗剥离性试验   抗破损性试验
  1-1   40   23
  1-2   63   30
  1-3   52   21
  1-4   10   7
  1-5   9   4
基于上述结果，如表4所示，在试验样品1-1到1-3(其最外层上均具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层)中，即使在切削刃达到高温的环境(例如干式切削和间歇式切削)中，也可以观察到优异的润滑性和得到提高的抗熔接性。因此所述试验样品获得了优异的抗剥离性，并且由于切削力被减小还获得了优异的抗破损性。此外，上述这些试验样品1-1到1-3显示出磨损减少，这表明其具有优异的耐磨性。基于这些因素可以看出：试验样品1-1到1-3具有较长的切削时间并且其使用寿命被延长。
(试验例1-2)
制备与试验例1-1所用基材相似的硬质合金基材。在所得到的基材的表面上采用热CVD技术，以在表1所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。表5示出涂层的组成、各膜厚和整个涂层的膜厚(总膜厚)。在表5中，从与基材最接近的膜开始将多层膜依次表示为第一膜、第二膜，等等。
[表5]
  试验样品号        第一膜         第二膜         第三膜        第四膜         第五膜        第六膜   总膜厚μm   切削时间(分钟)
  类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度
  2-1   TiCN   5.0   AlN*1   2.0   7.0   20
  2-2   TiN   0.5   ZrCN   7.0   AlN*1   0.5   8.0   31
  2-3   TiN   1.0   TiCN   4.5   TiC   1.5   TiCNO   1.0   κAl2O3   3.0   AlCN*1   5.0   16.0   35
  2-4   TiN   0.3   TiCN   6.5   TiBN   0.5   κAl2O3   1.5   TiN   0.3   AlN*1   3.0   12.1   27
2-5 TiN 0.5 TiCN 20.0   Al2O3ZrO2 5.0 AlN*1 2.0 27.5 37
2-6 TiCN 3.0 TiZrCN 5.0 ZrO2 2.3   Al2O3-ZrO2 2.5 AlON*1 1.7 14.5 28
  2-7   TiCN   3.2   TiN   0.5   HfCN   4.3   AlCN*1   2.5   10.5   21
  2-8   TiN   0.5   TiBN   1.3   αAl2O3   5.0   AlN*1   0.05   6.85   25
  2-9   HfCN   3.5   αAl2O3   1.5   TiCNO   2.3   TiCN   6.5   TiN   0.7   AlCN*1   0.7   15.2   30
  2-10   TiN   5.0   TiZrCN   14.0   AlCN*1   9.0   28   32
  2-11   TiN   0.5   TiCN   4.5   AlCN*1   0.5   AlN*1   0.5   6.0   23
  2-12   TiN   0.5   TiCNO   2.0   TiCN   6.0   TiBN   0.5   κAl2O3   1.5   AlCN*1   0.7   11.2   25
  2-13   HfCN   4.0   TiN   1.0   5.0   4
  2-14   TiN   0.5   TiCN   5.0   TiCNO   0.5   ZrO2   2.0   TiCN   0.1   TiN   2.0   10.1   6
  2-15   TiN   0.5   AlON*1   2.0   αAl2O3   3.0   TiN   1.5   7.0   6
  2-16   ZrCN   0.07   AlN*1   0.02   0.09   8
  2-17   TiN   0.5   ZrCN   4.0   AlN*1   0.02   4.52   11
2-18 TiN 0.5 TiCN 3.0 TiCNO 11.0 αAl2O3 3.5   Al2O3-ZrO2 7.0 AlCN*1 10.0 35.0 7
  2-19   TiCN   4.0   TiBN   2.0   ZrO2   2.0   AlCN*1   8.0   16.0   13
  2-20   TiN   1.0   ZrCN   4.0   AlON*2   1.3   6.3   5
  2-21   AlN*1   5.0   5.0   3
  2-22   Tin   3.0   AlCN*1   1.0   4.0   11
  2-23   TiZrCN   10.0   AlCN*1   4.0   14.0   10
使用具有如表5所示涂层的、表面被覆的更换型刀头，在下面所示的切削条件下进行反复切削。测量达到工具使用寿命的切削时间。将后刀面由于膜剥离而被磨损至少0.3mm时的时间点定义为工具使用寿命的终点。表5还示出了由所述试验得到的结果。
工件：用SCM435圆棒进行15秒的反复耐磨性试验
速度：V＝180m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
切削深度：d＝1.5mm
切削油：无
结果发现：如表5所示，试验样品2-1到2-12、2-16到2-19、2-22和2-23的润滑性和耐磨性优于其它试验样品，其中试验样品2-1到2-12、2-16到2-19、2-22和2-23都以含有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都以具有预定组成的膜作为内层。
此外，表5所示结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过30微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将试验样品2-1到2-23的刀头都切断，并且测量最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品2-23之外的其余所有刀头的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品2-23的Rmax为1.7微米。对于试验样品2-23，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.52微米。当采用研磨后的刀头在同样的切削条件下进行切削试验时，其工具使用寿命为22分钟。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。当如上所述测量试验样品2-3的表面粗糙度时，其Rmax为0.76微米，但是当以相同的方式研磨其切削刃之后，发现其在再度切削加工之后所测得的工具使用寿命显著延长，其工具使用寿命为45分钟。
此外，在试验样品2-22上形成了这样的涂膜，该涂膜使得内层的膜硬度比最外层的低。然后，对形成试验样品2-1到2-20、2-22和2-23的涂层的膜的硬度进行测量。对于除试验样品2-22之外的其它所有刀头，最外层的膜硬度都比内层中的至少一层膜的硬度低。对于试验样品2-22，其最外层的膜硬度比内层的高。由此认为：试验样品2-22的切削效率比试验样品2-1到2-12低。
(试验例1-2’)
制备与试验样品2-1到2-23相似的表面被覆刀头，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的切削长度(500m)测量月牙洼磨损(crater wear)(面积：mm2)。
工件：S50C
速度：V＝250m/分钟
进给量：f＝0.3mm/转
切削深度：d＝1.5mm
切削油：无
结果表明：试验样品2-1到2-12、2-16到2-19、2-22和2-23的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，试验样品2-4、2-5和2-6的结果分别为0.45mm2、0.39mm2和0.44mm2。
(试验例1-3)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表5中的试验样品2-2和2-13的组成相似的涂层，从而制备表面被覆刀头。对于其涂层组成与试验样品2-2的组成相似的刀头，表面被覆刀头是通过如下方法制成的：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。使用上述这些表面被覆刀头、采用与试验例1-2相似的切削条件进行切削试验。由试验样品2-2中的涂层形成的试验样品，其最外层上的氯含量均为0.2原子％。
1.JIS标准：P20金属陶瓷切削刀头(T1200A，由住友电工硬质合金株式会社出品)
2.陶瓷切削刀头(W80，由住友电工硬质合金株式会社出品)
3.氮化硅切削刀头(NS260，由住友电工硬质合金株式会社出品)
4.立方氮化硼切削刀头(BN250，由住友电工硬质合金株式会社出品)。
结果表明：其涂层组成与试验样品2-2相同的所有刀头的工具使用寿命都是其涂层组成与试验样品2-13相同的常规刀头的至少两倍。
(试验例1-4)
准备这样的粉末，该粉末含有86质量％的WC、8.0质量％的Co、2.0质量％的TiC、2.0质量％的NbC和2.0质量％的ZrC。用球磨机将该粉末湿混72小时、干燥，然后压制成带有断屑槽结构的生坯。将这种生坯置于烧结炉中，在1420℃下于真空气氛中加热1小时，得到烧结体。在所得到的烧结体的切削刃脊线的位置处用SiC刷进行珩磨并且进行斜切加工，最终得到由WC系硬质合金制成的ISO SNMG120408更换型刀头。
采用化学气相沉积技术中的热CVD技术在基材表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：由TiN(0.5)、柱状结构TiCN(6)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(2)形成的内层；以及由AlN(3)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。表6示出各种膜的成膜条件的例子。具体地说，表6示出了反应气体的组成(体积％)、成膜时施加的压力(kPa)和成膜温度(℃)。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，TiCN膜这样生长，使得它具有纵横比为4.2的柱状结构，并且使得(311)面具有最大取向指数TC。更具体地说，设定TiN膜的成膜条件(气体组成、压力和温度)，使得：反应气体为CH3CN，温度为900℃，压力为8kPa，在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)为0.1微米。然后，如表6所示改变成膜条件，从而在最外层上形成氯含量不同的AlN膜。表7示出最外层上的氯含量。更具体地说，制备了最外层上的氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品、氯含量大于0.5原子％的试验样品以及不含氯的试验样品。如表6所示，通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品3-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量，但是也可以结合透射电子显微镜使用微区EDX(能量色散X射线光谱法)、或者使用SIMS(二次离子质谱法)来研究组成。
[表6]
  涂层   反应气体组成(体积％)   压力(kPa) 温度(℃)
AlN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlCN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CH4：0.5-5.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlON*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CO2：0.2-3.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
  AlN*2   AlCl3：1.5％，NH3：1.0％，N2：40％，H2：其余部分   5.0   1000
AlN*3   AlCl3：1.5％，NH3：3.0％，N2：40％，HCl：5.0％，H2：其余部分 13.3 950
AlON*2   AlCl3：1.5％，NH3：6.0％，N2：40％，CO2：1.0％，H2：其余部分 6.8 1100
  TiN   TiCl4：2.0％，N2：25％，H2：其余部分   13.3   950
  TiC   TiCl4：2.0％，CN4：5％，H2：其余部分   13.3   1050
  粒状TiCN   TiCl4：4.0％，CH4：4.0％，N2：20％，H2：其余部分   14   1020
  柱状TiCN   TiCl4：3.0％，CH3CN：0.6％，N2：20％，H2：其余部分   4.0-80   800-950
  ZrCN   ZrCl4：1.0％，CH3CN：0.6％，N2：35％，H2：其余部分   6.7   890
TiZrCN   TiCl4：1.5％，ZrCl4：1.0％，CH3CN：1.0％，N2：45％，H2：其余部分 6.7 975
  TiCNO   TiCl4：2.0％，CO2：2.5％，N2：8％，H2：其余部分   6.7   975
  TiBN   TiCl4：2.0％，BCl3：5.0％，N2：5.0％，H2：其余部分   13.3   950
  HfCN   HfCl4：1.0％，CH3CN：1.2％，N2：40％，H2：其余部分   6.7   1025
  αAl2O3   AlCl3：2.0％，H2S：0.3％，CO2：5.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  κAl2O3   AlCl3：2.0％，CO2：5.0％，CO：0.5％，H2：其余部分   6.7   1000
  ZrO2   ZrCl4：2.0％，CO2：7.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  Al2O3-ZrO2   AlCl3：1.5％，ZrCl4：0.3％，CO2：9.0％，H2：其余部分   13.3   1070
*1：氯含量大于0并且不超过0.5原子％
*2：不含氯
*3：氯含量大于0.5原子％
[表7]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  3-1   AlN*1   0.02
  3-2   AlN*1   0.15
  3-3   AlN*1   0.49
  3-4   AlN*2   0
  3-5   AlN*3   0.90
使用具有如表7所示最外层的、表面被覆的更换型刀头，采用表8所示的切削条件进行连续切削加工。测量达到工具使用寿命的切削时间。在抗剥离性试验中，反复进行切削加工，将后刀面由于膜剥离而被磨损至少0.3mm时的时间点定义为工具使用寿命的终点。在耐磨性试验中，将后刀面被磨损至少0.3mm的时间段定义为工具使用寿命。试验结果示于表9中。
[表8]
  抗剥离性试验   耐磨性试验
工件   S15C棒3秒反复试验 S45C棒
  速度   V＝300m/分钟   V＝260m/分钟
  进给量   f＝0.3mm/转   f＝0.2mm/转
  切削深度   d＝1.0mm   d＝1.5mm
  切削油   无   无
[表9]
试验样品号          切削时间(分钟)
  抗剥离性试验   耐磨性试验
  3-1   42   24
  3-2   60   31
  3-3   51   21
  3-4   12   6
  3-5   10   5
基于上述结果，如表9所示，在试验样品3-1到3-3(其最外层上均具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层)中，即使在干式切削加工中，也观察到了优异的润滑性和得到提高的抗熔接性。这样使所述试验样品的抗熔接性提高，并且由于切削力被减小而使所述试验样品得到优异的抗剥离性。此外，因为内层中使用了预定的TiCN膜，所以试验样品3-1到3-3还具有优异的耐磨性。而且，这些试验样品3-1到3-3没有发生破碎。因此得到优异的抗破碎性和抗破损性。基于这些因素可以看出：试验样品3-1到3-3具有较长的切削时间并且其使用寿命被延长。
(试验例1-5)
制备与试验例1-4所用基材相似的硬质合金基材。在所得到的基材的表面上采用热CVD技术，从而在表6所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：TiN(0.5)、柱状结构TiCN(4)或粒状结构TiCN(4)、TiBN(0.5)、Al2O3-ZrO2(2)；以及由AlN*1(3)形成的最外层(表7中的试验样品3-3的最外层)。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，通过改变成膜压力和温度、以及通过改变在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度和气体条件(如表6所示)，使柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比以及具有最大取向指数的晶面发生变化。更具体地说，通过如下方式将TiCN膜中柱状结构的纵横比调节为不低于3，所述方式为：使用CH3CN作为反应气体，气体温度被设定为920℃，气体压力被设定为6kPa，并且CH3CN反应气体被徐徐引入。此外，如果TiCN膜的最大取向指数是例如TC(422)，则基材的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)被设定为0.09微米，并且在基材外侧(离开基材的一侧)调节TiCN膜中柱状结构的纵横比的同时形成TiCN膜。此外，对于所有的试验样品，在形成最外层之后，对最外层的表面进行研磨，使得在通过观察工具的断面而进行测量时，最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的部分的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)均为0.4微米。表10示出TiCN膜的组成、纵横比以及具有最大取向指数TC的晶面。
[表10]
  试验样品号               内层TiCN膜   切削时间(分钟)耐磨性试验
结构 纵横比 具有最大TC的晶面
  4-1   柱状   5.2   311   21
  4-2   柱状   6.6   422   25
  4-3   柱状   3.1   220   19
  4-4   柱状   2.3   220   4
  4-5   柱状   3.5   420   5
  4-6   粒状   -   311   1
使用具有如表10所示的TiCN膜内层的、表面被覆的更换型刀头，采用下述切削条件进行连续切削加工。测量达到工具使用寿命的切削时间。将后刀面由于膜剥离而被磨损至少0.3mm时的时间点定义为工具使用寿命的终点。表10还示出了本试验的结果。
工件：用不锈钢棒进行耐磨性试验
速度：V＝200m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
切削深度：d＝1.5mm
切削油：无
结果表明：如表10所示，对于TiCN膜而言，柱状结构具有更好的耐磨性。更具体地说，对于试验样品4-1到4-3而言，即使在干式切削时，它们的耐磨性也特别优异并且其使用寿命更长，这些试验样品在内层中都形成有柱状结构的TiCN膜，该柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。较长的工具使用寿命被认为是由如下原因而造成的：最外层具有优异的润滑性，并且使用了耐磨性优异的、预定的TiCN膜作为内层。
(试验例1-6)
制备与试验例1-4所用基材相似的硬质合金基材。在所得到的基材的表面上采用热CVD技术，从而在表6所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，控制成膜条件使得柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3并且最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。表11示出涂层的组成、各膜厚和整个涂层的膜厚(总膜厚)。在表11中，从与基材最接近的膜开始将多层膜依次表示为第一膜、第二膜，等等。
[表11]
  试验样品号       第一膜        第二膜        第三膜        第四膜       第五膜         第六膜 总膜厚μm 切削时间(分钟)
  类型   厚度  类型   厚度  类型   厚度   类型   厚度  类型   厚度   类型   厚度
5-1   柱状TiCN 5.0 AlN*1 2.0 7.0 21
5-2   柱状TiCN 0.5 ZrCN 7.0 AlN*1 0.5 8.0 31
5-3 TiN 1.0  柱状TiCN 4.5 TiC 1.5 TiCNO 1.0 κAl2O3 3.0 AlCN*1 5.0 16.0 37
5-4 TiN 0.3  柱状TiCN 6.5 TiBN 0.5 κAl2O3 1.5 TiN 0.3 AlN*1 3.0 12.1 27
5-5 TiN 0.5  柱状TiCN 20.0  Al2O3ZrO2 5.0 AlN*1 2.0 27.5 35
5-6   柱状TiCN 3.0 TiZrCN 5.0 ZrO2 2.3   Al2O3-ZrO2 2.5 AlON*1 1.7 14.5 26
5-7   柱状TiCN 3.2 TiN 0.5 HfCN 4.3 AlCN*1 2.5 10.5 23
5-8   柱状TiCN 0.5 TiBN 1.3 αAl2O3 5.0 AlN*1 0.05 6.85 26
5-9 HfCN 3.5 αAl2O3 1.5 TiCNO 2.3   柱状TiCN 6.5 TiN 0.7 AlCN*1 0.7 15.2 32
5-10   柱状TiCN 5.0 TiZrCN 14.0 AlCN*1 9.0 28 32
5-11 TiN 0.5  柱状TiCN 4.5 AlCN*1 0.5 AlN*1 0.5 6.0 25
5-12 TiN 0.5 TiCNO 2.0  柱状TiCN 6.0 TiBN 0.5 κAl2O3 1.5 AlCN*1 0.7 11.2 23
5-13   柱状TiCN 2.0 HfCN 2.0 TiN 1.0 5.0 6
5-14 TiN 0.5  柱状TiCN 5.0 TiCNO 0.5 ZrO2 2.0  柱状TiCN 0.1 TiN 2.0 10.1 7
5-15   柱状TiCN 0.5 AlON*1 2.0 αAl2O3 3.0 TiN 1.5 7.0 5
5-16   柱状TiCN 0.07 AlN*1 0.02 0.09 8
5-17   柱状TiCN 0.5 ZrCN 4.0 AlN*1 0.02 4.52 11
5-18 TiN 0.5  柱状TiCN 3.0 TiCNO 11.0 αAl2O3 3.5  Al2O3-ZrO2 7.0 AlCN*1 10.0 35.0 8
5-19   柱状TiCN 4.0 TiBN 2.0 ZrO2 2.0 AlCN*1 8.0 16.0 14
5-20 TiN 0.2  柱状TiCN 0.8 ZrCN 4.0 AlON*2 1.3 6.3 7
5-21   柱状TiCN 10.0 AlCN*1 4.0 14.0 10
使用具有如表11所示的TiCN膜内层的、表面被覆的更换型刀头，采用下述切削条件进行连续切削加工。测量达到工具使用寿命的切削时间。将后刀面由于膜剥离而被磨损至少0.3mm时的时间点定义为工具使用寿命的终点。表11还示出了本试验的结果。
工件：用SCM435棒进行15秒的反复耐磨性试验
速度：V＝180m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
切削深度：d＝1.5mm
切削油：无
结果发现：如表11所示，试验样品5-1到5-12、5-16到5-19和5-21的润滑性和耐磨性优于其它试验样品，其中试验样品5-1到5-12、5-16到5-19和5-21都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都具有柱状结构的TiCN膜内层，该柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。
此外，表11所示的结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过30微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将由试验样品5-1到5-21所得到的刀头都切断，并且测量最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品5-21之外的其余所有刀头的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品5-21的Rmax为1.7微米。对于试验样品5-21，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.52微米。当采用研磨后的刀头在同样的切削条件下进行切削试验时，其工具使用寿命为24分钟。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。当采用上述方法测量试验样品5-3的表面粗糙度时，其Rmax为0.76微米，但是当以相同的方式研磨其切削刃之后，发现其在再度切削加工之后所测得的工具使用寿命显著延长，其工具使用寿命为48分钟。
(试验例1-6’)
制备与试验样品5-1到5-21相似的表面被覆刀头，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的切削长度(500m)测量月牙洼磨损(面积：mm2)。
工件：S50C
速度：V＝250m/分钟
进给量：f＝0.3mm/转
切削深度：d＝1.5mm
切削油：无
结果表明：试验样品5-1到5-12、5-16到5-19以及5-21的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，试验样品5-4、5-5和5-6的结果分别为0.3mm2、0.27mm2和0.29mm2。
(试验例1-7)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表11中的试验样品5-2的组成相似的涂膜。通过如下方法制成表面被覆刀头：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。在与试验例1-6相似的切削条件下进行切削试验。
在所有情况中，最外层的氯含量均为0.18原子％。
1.JIS标准：P20金属陶瓷切削刀头(T1200A，由住友电工硬质合金株式会社出品)
2.陶瓷切削刀头(W80，由住友电工硬质合金株式会社出品)
3.氮化硅切削刀头(NS260，由住友电工硬质合金株式会社出品)
4.立方氮化硼切削刀头(BN250，由住友电工硬质合金株式会社出品)。
结果表明：所有被覆刀头均具有优异的润滑性和耐磨性。
据此可以看出：以与使用硬质合金时的方式(如上所述)相同的方式，这些试验样品的工具使用寿命也可以得到延长。
[第二实施例]
以下将采用端铣刀作为实例对本发明进行更为具体的描述。
(试验例2-1)
准备由硬质合金制成的、双刃方形端铣刀的基材(整体型端铣刀)，所述硬质合金符合JIS Z20(直径为10mm)。采用化学气相沉积技术中的热CVD技术在基材的切削相关区域(主体)的表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：由TiN(0.5)、TiCN(4)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(1)形成的内层；以及由AlN(1.5)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。表12示出各种膜的成膜条件的例子。具体地说，表12示出了反应气体的组成(体积％)、成膜时施加的压力(kPa)和成膜温度(℃)。通过控制成膜时间来控制膜厚。如表12所示，通过改变成膜条件，制备了其中最外层的AlN膜具有不同氯含量的试验样品。表13示出最外层的氯含量。具体地说，制备了氯含量大于0并且不超过0.5原子％的样品、氯含量大于0.5原子％的样品以及不含氯的样品。如表12所示，通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品6-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量，但是也可以结合透射电子显微镜使用微区EDX(能量色散X射线光谱法)、或者使用SIMS(二次离子质谱法)来研究组成。此外，还研究了试验样品中各层的努普硬度，并且发现：在所有的情况中，最外层AlN膜的硬度都比内层TiCN膜的低。
[表12]
  涂层   反应气体组成(体积％)   压力(kPa) 温度(℃)
AlN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlCN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CH4：0.5-5.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlON*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CO2：0.2-3.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
  AlN*2   AlCl3：1.5％，NH3：1.0％，N2：40％，H2：其余部分   5.0   1000
AlN*3   AlCl3：1.5％，NH3：3.0％，N2：40％，HCl：5.0％，H2：其余部分 13.3 950
AlON*2   AlCl3：1.5％，NH3：6.0％，N2：40％，CO2：1.0％，H2：其余部分 6.8 1100
  TiN   TiCl4：2.0％，N2：25％，H2：其余部分   13.3   950
  TiC   TiCl4：2.0％，CN4：5％，H2：其余部分   13.3   1050
  TiCN   TiCl4：2.0％，CH3CN：0.6％，N2：20％，H2：其余部分   6.7-80   800-950
  ZrCN   ZrCl4：1.0％，CH3CN：0.6％，N2：35％，H2：其余部分   6.7   890
TiZrCN   TiCl4：1.5％，ZrCl4：1.0％，CH3CN：1.0％，N2：45％，H2：其余部分 6.7 975
  TiCNO   TiCl4：2.0％，CO2：2.5％，N2：8％，H2：其余部分   6.7   975
  TiBN   TiCl4：2.0％，BCl3：5.0％，N2：5.0％，H2：其余部分   13.3   950
  HfCN   HfCl4：1.0％，CH3CN：1.2％，N2：40％，H2：其余部分   6.7   1025
  αAl2O3   AlCl3：2.0％，H2S：0.3％，CO2：5.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  κAl2O3   AlCl3：2.0％，CO2：5.0％，CO：0.5％，H2：其余部分   6.7   1000
  ZrO2   ZrCl4：2.0％，CO2：7.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  Al2O3-ZrO2   AlCl3：1.5％，ZrCl4：0.3％，CO2：9.0％，H2：其余部分   13.3   1070
*1：氯含量大于0并且不超过0.5原子％
*2：不含氯
*3：氯含量大于0.5原子％
[表13]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  6-1   AlN*1   0.03
  6-2   AlN*1   0.18
  6-3   AlN*1   0.48
  6-4   AlN*2   0
  6-5   AlN*3   0.98
采用表14所示的切削条件，对表面被覆的端铣刀(其具有如表13所示的最外层)的切削效率进行观察。关于切削条件1，在固定的切削长度(150m)的条件下测量磨损。在本试验中，对周边切削刃上的后刀面磨损(单位为微米)进行了测量。关于切削条件2，进行固定的镗孔加工(直径为10mm)。测量镗孔过程中所施加的扭矩，并且观察在镗孔加工之后转换成固定的铣槽加工(slot milling)(50mm)后的状态。试验结果示于表15中。
[表14]
 切削条件1   切削条件2
 侧铣   镗孔加工(10mm)后，再铣槽加工(fluting)(50mm)
 工件：S50C   工件：SKD11
 速度：V＝300m/分钟   速度：V＝80m/分钟
 每一个切削刃的进给量：ft＝0.1mm   进给量：镗孔加工0.07mm/转铣槽加工0.15mm/t(每一个切削刃)
  轴向切削深度：Ad＝8mm径向切削深度：Rd＝0.5mm
  切削油：无   切削油：无
  切削距离：150m
[表15]
  试验样品号   切削条件1   切削条件2
  后刀面磨损(周边切削刃，微米)   最大扭矩(N·cm)
  6-1   55   610
  6-2   31   410
  6-3   42   550
6-4 92   1050(铣槽加工时折损)
6-5   115(有碎屑)   1120(铣槽加工时折损)
基于上述结果，如表15所示，在试验样品6-1到6-3中，磨损量被减小，并且即使在干式切削加工中也可以观察到所述试验样品具有优异的润滑性、以及由于切削力被减小而导致其抗破损性得到提高的现象，其中所述试验样品在最外层上具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层。因为试验样品6-1到6-3是由润滑性优异的涂层形成的，所以其具有优异的切屑排出性。结果，使扭矩的增加受到抑制，并且使抗折损性得到提高，这样就可以顺利地切削。关于试验样品6-4和6-5，当转换到铣槽加工时，出现扭矩增加和破损的现象。此外，这些试验样品6-1到6-3均具有优异的抗熔接性，并且没有发生涂层剥离等现象。基于上述这些因素可以看出：试验样品6-1到6-3可以延长工具使用寿命。
(试验例2-2)
准备与试验例2-1所用的硬质合金端铣刀基材相似的基材。在切削相关区域上采用热CVD技术、在表12所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。表16示出涂层的组成、各膜厚和整个涂层的膜厚(总膜厚)。在表16中，从与基材最接近的膜开始将多层膜依次表示为第一膜、第二膜，等等。
[表16]
  试验样品号       第一膜         第二膜         第三膜         第四膜        第五膜        第六膜   总膜厚μm   后刀面磨损μm
  类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度   类型   厚度
  7-1   TiCN   3.0   AlN*1   1.0   4.0   62
  7-2   TiN   0.5   ZrCN   7.0   AlN*1   0.5   8.0   35
  7-3   TiN   1.0   TiCN   4.5   TiC   1.5   TiCNO   1.0  κAl2O3   3.0   AlCN*1   5.0   16.0   33
  7-4   TiN   0.3   TiCN   6.5   TiBN   0.5   κAl2O3   1.5  TiN   0.3   AlN*1   3.0   12.1   53
7-5 TiN 0.5 TiCN 14.0   Al2O3-ZrO2 5.0 AlN*1 2.0 21.5 31
7-6 TiCN 3.0 TiZrCN 5.0 ZrO2 2.3   Al2O3-ZrO2 2.5 AlON*1 1.7 14.5 44
  7-7   TiCN   3.2   TiN   0.5   HfCN   4.3   AlCN*1   2.5   10.5   60
  7-8   TiN   0.5   TiBN   1.3   αAl2O3   5.0   AlN*1   0.05   6.85   52
  7-9   HfCN   3.5   αAl2O3   1.5   TiCNO   2.3   TiCN   6.5  TiN   0.7   AlCN*1   0.7   15.2   41
  7-10   TiN   2.0   TiZrCN   14.0   AlCN*1   7.0   23   35
  7-11   TiN   0.5   TiCN   4.5   AlCN*1   0.5   AlN*1   0.5   6.0   56
  7-12   TiN   0.5   TiCNO   2.0   TiCN   6.0   TiBN   0.5  κAl2O3   1.5   AlCN*1   0.7   11.2   54
  7-13   HfCN   4.0   TiN   1.0   5.0   135
  7-14   TiN   0.5   TiCN   5.0   TiCNO   0.5   ZrO2   2.0   TiCN   0.1   TiN   2.0   10.1   180
  7-15   TiN   0.5   AlON*1   2.0   αAl2O3   3.0   TiN   1.5   7.0   128
  7-16   ZrCN   0.07   AlN*1   0.02   0.09   82
  7-17   TiN   0.5   ZrCN   4.0   AlN*1   0.02   4.52   95
7-18 TiN 0.5 TiCN 3.0 TiCNO 9.0 αAl2O3 3.5   Al2O3-ZrO2 5.0 AlCN*1 8.0 29.0 98
  7-19   TiCN   4.0   TiBN   2.0   ZrO2   2.0   AlCN*1   7.0   15.0   92
  7-20   TiN   1.0   ZrCN   4.0   AlON*2   1.3   6.3   210
  7-21   AlN*1   5.0   5.0   165
  7-22   TiN   3.0   AlCN*1   1.0   4.0   88
  7-23   TiZrCN   10.0   AlCN*1   4.0   14.0   93
使用具有如表16所示涂层的、表面被覆的端铣刀在下述条件下进行侧铣加工，并对于固定的切削长度(100m)测量磨损。在本试验中，对周边切削刃上的后刀面磨损(单位为微米)进行了测量。表16还示出了本试验的结果。
端铣刀侧铣加工
工件：SUS304
速度：V＝130m/分钟
每一个切削刃的进给量：ft＝0.03mm
轴向切削深度：Ad＝8mm
径向切削深度：Rd＝0.16mm
切削油：无
切削长度：100m
结果发现：如表16所示，试验样品7-1到7-12、7-16到7-19、7-22和7-23的润滑性和耐磨性优于其它试验样品，其中试验样品7-1到7-12、7-16到7-19、7-22和7-23都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都以具有预定组成的膜作为内层。
此外，表16所示的结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过24微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将由试验样品7-1到7-23所得到的端铣刀都切断，并且测量最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品7-22之外的其余所有刀头的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品7-22的Rmax为1.7微米。对于试验样品7-22，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.52微米。当采用研磨后的端铣刀在相同的切削条件下进行侧铣加工时，其后刀面磨损量为65微米。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。当采用上述方法测量试验样品7-1的表面粗糙度时，其Rmax为0.9微米，但是当以相同的方式研磨其切削刃之后，发现其在再度切削加工之后所测得的后刀面磨损量得到了显著的改善，其后刀面磨损量为35微米。
此外，在试验样品7-23上形成了这样的涂膜，该涂膜使得内层的膜硬度比最外层的低。然后，对形成试验样品7-1到7-20、7-22和7-23的涂层的膜硬度进行测量。对于所有端铣刀(不包括试验样品7-23)而言，最外层的膜硬度都比内层中的至少一层膜的膜硬度低。对于试验样品7-23，其最外层的膜硬度比内层的高。因此认为：试验样品7-23的切削效率被降低。
(试验例2-2’)
制备与试验样品7-1到7-23相似的表面被覆的端铣刀，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的切削长度(50m)测量月牙洼磨损(宽度)。所述测量是测量周边切削刃上的月牙洼磨损宽度。因为端铣刀具有三维形状，所以是在倾斜方向上测量该宽度。更具体地说，通过从固定的角度进行观察来测量月牙洼磨损宽度。
以比较不同试验样品的测量值为基础，对结果进行评价。
工件：S50C
速度：V＝100m/分钟
进给量：f＝0.05mm/t
切削深度：Ad＝10mm，Rd＝0.6mm
切削油：无(鼓风机)
结果表明：试验样品7-1到7-12、7-16到7-19、7-22和7-23的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，如果将试验样品7-14的磨损宽度定义为1，则试验样品7-3和7-6的磨损宽度值分别为0.44和0.52。
(试验例2-3)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表16中的试验样品7-2和7-13的组成相似的涂层，从而制备表面被覆的端铣刀。对于其涂层组成与试验样品7-2的组成相似的端铣刀，表面被覆的端铣刀是通过如下方法制成的：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。然后，采用与试验例2-2相同的切削条件进行侧铣加工。所述涂层都是在切削相关区域上形成的。
具有试验例7-2中的涂层的试验样品，其最外层上的氯含量均为0.2原子％。
1.由符合JIS Z20的硬质合金制成的钎焊型端铣刀基材(切削部为硬质合金)
2.由JIS标准P20金属陶瓷制成的双刃方形端铣刀基材(直径为10mm)
3.由立方氮化硼(BN300，由住友电工硬质合金株式会社出品)制成的钎焊型球铣刀(ball mill)(切削部为立方氮化硼)
结果表明：所有由试验样品7-2中的涂层形成的表面被覆的端铣刀都具有优异的润滑性和耐磨性。结果发现：其工具使用寿命是由试验样品7-13中的常规涂层所形成的端铣刀的至少两倍。
(试验例2-4)
准备由硬质合金制成的、双刃方形端铣刀(整体型端铣刀)的基材，所述硬质合金符合JIS Z20(直径为10mm)。采用化学气相沉积技术中的热CVD技术在基材的切削相关区域(主体)的表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：TiN(0.5)、柱状结构TiCN(4)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(1)；以及由AlN(1.5)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。表17示出各种膜的成膜条件的例子。具体地说，表17示出了反应气体的组成(体积％)、成膜时施加的压力(kPa)和成膜温度(℃)。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，TiCN膜具有这样的柱状结构：该柱状结构的纵横比为4.1，并且(311)面的取向指数TC最大。更具体地说，设定TiN膜的成膜条件(气体组成、压力和温度)，使得：反应气体为CH3CN，温度为900℃，压力为8kPa，在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)为0.1微米。如表17所示，通过改变成膜条件而制备其中最外层的AlN膜中具有不同氯含量的试验样品。表18示出最外层的氯含量。具体地说，制备了氯含量大于0并且不超过0.5原子％的样品、氯含量大于0.5原子％的样品以及不含氯的样品。如表17所示，通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品8-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量，但是也可以结合透射电子显微镜使用微区EDX(能量色散X射线光谱法)、或者使用SIMS(二次离子质谱法)来研究组成。
[表17]
涂层 反应气体组成(体积％)   压力(kPa)   温度(℃)
AlN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlCN*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CH4：0.5-5.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
AlON*1   AlCl3：1.0-5.0％，NH3：0.1-5.0％，N2：20-50％，CO2：0.2-3.0％，HCl：0.01-1.0％，H2：其余部分 4.0-80 750-980
  AlN*2   AlCl3：1.5％，NH3：1.0％，N2：40％，H2：其余部分   5.0   1000
AlN*3   AlCl3：1.5％，NH3：3.0％，N2：40％，HCl：5.0％，H2：其余部分 13.3 950
AlON*2   AlCl3：1.5％，NH3：6.0％，N2：40％，CO2：1.0％，H2：其余部分 6.8 1100
  TiN   TiCl4：2.0％，N2：25％，H2：其余部分   13.3   950
  TiC   TiCl4：2.0％，CN4：5％，H2：其余部分   13.3   1050
  粒状TiCN   TiCl4：4.0％，CH4：4.0％，N2：20％，H2：其余部分   14   1020
  柱状TiCN TiCl4：3.0％，CH3CN：0.6％，N2：20％，H2：其余部分 4.0-80 800-950
  ZrCN   ZrCl4：1.0％，CH3CN：0.6％，N2：35％，H2：其余部分   6.7   890
TiZrCN   TiCl4：1.5％，ZrCl4：1.0％，CH3CN：1.0％，N2：45％，H2：其余部分 6.7 975
  TiCNO   TiCl4：2.0％，CO2：2.5％，N2：8％，H2：其余部分   6.7   975
  TiBN   TiCl4：2.0％，BCl3：5.0％，N2：5.0％，H2：其余部分   13.3   950
  HfCN   HfCl4：1.0％，CH3CN：1.2％，N2：40％，H2：其余部分   6.7   1025
  αAl2O3   AlCl3：2.0％，H2S：0.3％，CO2：5.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  κAl2O3   AlCl3：2.0％，CO2：5.0％，CO：0.5％，H2：其余部分   6.7   1000
  ZrO2   ZrCl4：2.0％，CO2：7.0％，H2：其余部分   6.7   1050
  Al2O3-ZrO2   AlCl3：1.5％，ZrCl4：0.3％，CO2：9.0％，H2：其余部分   13.3   1070
*1：氯含量大于0并且不超过0.5原子％
*2：不含氯
*3：氯含量大于0.5原子％
[表18]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  8-1   AlN*1   0.03
  8-2   AlN*1   0.18
  8-3   AlN*1   0.48
  8-4   AlN*2   0
  8-5   AlN*3   0.98
采用表19所示的切削条件，对表面被覆的端铣刀(其具有如表18所示的最外层)的切削效率进行观察。关于切削条件I，在固定的切削长度(150m)的条件下测量磨损。在本试验中，对周边切削刃上的后刀面磨损(单位为微米)进行了测量。关于切削条件II，进行固定的镗孔加工(直径为10mm)。测量镗孔过程中所施加的扭矩，并且观察在镗孔加工之后转换成固定的铣槽加工(50mm)后的状态。试验结果示于表20中。
[表19]
 切削条件I   切削条件II
 侧铣   镗孔加工(10mm)后，再铣槽加工(50mm)
 工件：S50C   工件：SKD11
 速度：V＝300m/分钟   速度：V＝80m/分钟
 每一个切削刃的进给量：ft＝0.1mm   进给量：镗孔加工0.07mm/转铣槽加工0.15mm/t(每一个切削刃)
 轴向切削深度：Ad＝8mm径向切削深度：Rd＝0.5mm
 切削油：无   切削油：无
 切削距离：150m
[表20]
  试验样品号   切削条件I   切削条件II
  后刀面磨损(周边切削刃，微米)   最大扭矩(N·cm)
  8-1   42   680
  8-2   21   430
  8-3   35   510
8-4 85   1110(铣槽加工时折损)
8-5   121(有碎屑)   1050(铣槽加工时折损)
基于上述结果，如表20所示，在试验样品8-1到8-3中，磨损量被减小，并且即使在干式切削加工中也可以观察到所述试验样品具有优异的润滑性、以及由于切削力被减小而导致其抗破损性得到提高的现象，其中所述试验样品在最外层上具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层。因为试验样品8-1到8-3是由润滑性优异的涂层形成的，所以其具有优异的切屑排出性。结果，使扭矩的增加受到抑制，并且使抗折损性得到提高，这样就可以顺利地切削。关于试验样品8-4和8-5，当转换到铣槽加工时，出现扭矩增加和破损的现象。此外，这些试验样品8-1到8-3均具有优异的抗熔接性，并且没有发生涂层剥离等现象。基于上述这些因素可以看出：试验样品8-1到8-3可以延长工具使用寿命。
(试验例2-5)
准备与试验例2-4所用的硬质合金端铣刀基材相似的基材。在切削相关区域上进行热CVD，并且在表17所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：TiN(0.5)、柱状结构TiCN(4)或粒状结构TiCN(4)、TiBN(0.5)、Al2O3-ZrO2(1)；以及由AlN*1(1.5)形成的最外层(表18中的试验样品8-3的最外层)。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，通过改变成膜压力和温度、以及通过改变在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度和气体条件(如表17所示)，使柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比以及具有最大取向指数的晶面发生变化。更具体地说，例如，通过如下方式将TiCN膜中柱状结构的纵横比调节到不低于3，所述方式为：使用CH3CN作为反应气体，气体温度被设定为920℃，压力被设定为6kPa，并且CH3CN反应气体被徐徐引入。此外，如果TiCN膜的最大取向指数是例如TC(422)，则基材的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)被设定为0.09微米，并且在基材外侧(离开基材的一侧)调节TiCN膜中柱状结构的纵横比的同时形成TiCN膜。此外，对于所有的试验样品，在形成最外层之后，对最外层的表面进行研磨，使得在通过观察工具的断面而进行测量时，最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的部分的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)均为0.4微米。表21示出TiCN膜的组成、纵横比以及具有最大取向指数TC的晶面。
[表21]
  试验样品号              内层TiCN膜   后刀面磨损(外周长，微米)
结构 纵横比   具有最大TC的晶面
  9-1   柱状   5.3   311   72
  9-2   柱状   6.8   422   64
  9-3   柱状   3.3   220   85
  9-4   柱状   2.4   220   140
  9-5   柱状   3.8   420   182
  9-6   粒状   -   311   255(有碎屑)
使用具有如表21所示涂层的、表面被覆的端铣刀在下述条件下进行侧铣加工，并对于固定的切削长度(80m)测量磨损。表21还示出了本试验的结果。
端铣刀侧铣加工
工件：SKD11
速度：V＝250m/分钟
每一个切削刃的进给量：ft＝0.05mm
轴向切削深度：Ad＝8mm
径向切削深度：Rd＝0.15mm
切削油：无
切削长度：80m
结果表明：如表21所示，对于TiCN膜而言，柱状结构具有更好的耐磨性。更具体地说，对于试验样品9-1到9-3而言，即使在干式切削时，它们的耐磨性也特别优异并且其使用寿命更长，其中所述试验样品在内层上都形成有柱状结构的TiCN膜，该柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。磨损量减少被认为是由如下原因而造成的：最外层具有优异的润滑性，并且使用了耐磨性优异的、预定的TiCN膜作为内层。
(试验例2-6)
准备与试验例2-4所用的硬质合金端铣刀基材相似的基材。在切削相关区域上进行热CVD，并且在表17所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，控制成膜条件使得柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3并且最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。表22示出涂层的组成、各膜厚和整个涂层的膜厚(总膜厚)。在表22中，从与基材最接近的膜开始将多层膜依次表示为第一膜、第二膜，等等。
[表22]
  试验样品号       第一膜        第二膜         第三膜        第四膜         第五膜        第六膜   总膜厚μm   后刀面磨损μm
类型 厚度 类型 厚度 类型 厚度 类型 厚度 类型 厚度 类型 厚度
10-1   柱状TiCN 3.0 AlN*1 1.0 4.0 52
10-2   柱状TiCN 0.5 ZrCN 7.0 AlN*1 0.5 8.0 31
10-3 TiN 1.0  柱状TiCN 4.5 TiC 1.5 TiCNO 1.0 κAl2O3 3.0 AlCN*1 5.0 16.0 34
10-4 TiN 0.3  柱状TiCN 6.5 TiBN 0.5 κAl2O3 1.5 TiN 0.3 AlN*1 3.0 12.1 48
10-5 TiN 0.5  柱状TiCN 14.0   Al2O3-ZrO2 5.0 AlN*1 2.0 21.5 26
10-6   柱状TiCN 3.0 TiZrCN 5.0 ZrO2 2.3   Al2O3-ZrO2 2.5 AlON*1 1.7 14.5 44
10-7   柱状TiCN 3.2 TiN 0.5 HfCN 4.3 AlCN*1 2.5 10.5 51
10-8   柱状TiCN 0.5 TiBN 1.3 αAl2O3 5.0 AlN*1 0.05 6.85 54
10-9 HfCN 3.5 αAl2O3 1.5 TiCNo 2.3   柱状TiCN 6.5 TiN 0.7 AlCN*1 0.7 15.2 38
10-10   柱状TiCN 5.0 TiZRCN 10.0 AlCN*1 7.0 22 40
10-11 TiN 0.5  柱状TiCN 4.5 AlCN*1 0.5 AlN*1 0.5 6.0 48
10-12 TiN 0.5 TiCNo 2.0   柱状TiCN 6.0 TiBN 0.5 κAl2O3 1.5 AlCN*1 0.7 11.2 53
10-13   柱状TiCN 2.0 HfCN 2.0 TiN 1.0 5.0 145
10-14 TiN 0.5  柱状TiCN 5.0 TiCNo 0.5 ZrO2 2.0   柱状TiCN 0.1 TiN 2.0 10.1 160
10-15   柱状TiCN 0.5  AlON*1   2.0   αAl2O3   3.0   TiN   1.5   7.0   136
 10-16   柱状TiCN   0.07  AlN*1   0.02   0.09   105
10-17   柱状TiCN 0.5 ZrCN 4.0 AlN*1 0.02 4.52 98
10-18 TiN 0.5  柱状TiCN 3.0 TiCNo 9.0 αAl2O3 3.5   Al2O3-ZrO2 5.0 AlCN*1 8.0 29.0 102
10-19   柱状TiCN 4.0 TiBN 2.0 ZrO2 2.0 AlCN*1 7.0 15.0 95
10-20 TiN 0.2  柱状TiCN 0.8 ZrCN 4.0 AlON*2 1.3 6.3 148
10-21   柱状TiCN 10.0 AlCN*1 4.0 14.0 94
使用具有如表22所示涂层的、表面被覆的端铣刀在下述条件下进行侧铣加工，并对于固定的切削长度(100m)测量磨损。在本试验中，对周边切削刃上的后刀面磨损(单位为微米)进行了测量。表22还示出了本试验的结果。
端铣刀侧铣加工
工件：SUS304
速度：V＝144m/分钟
每一个切削刃的进给量：ft＝0.03mm
轴向切削深度：Ad＝8mm
径向切削深度：Rd＝0.16mm
切削油：无
切削长度：100m
结果发现：如表22所示，试验样品10-1到10-12、10-16到10-19和10-21的润滑性和耐磨性优于其它试验样品，其中试验样品10-1到10-12、10-16到10-19和10-21都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都具有柱状结构的TiCN膜内层，该柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。
此外，表22所示的结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过24微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将由试验样品10-1到10-21所得到的端铣刀都切断，并且测量最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品10-21之外的其余所有端铣刀的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品10-21的Rmax为1.6微米。对于试验样品10-21，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.61微米。当采用研磨后的端铣刀在相同的切削条件下进行侧铣加工时，其后刀面磨损量为48微米。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。
(试验例2-6’)
制备与试验样品10-1到10-21相似的表面被覆的端铣刀，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的切削长度(50m)测量在周边切削刃上所产生的月牙洼磨损(宽度)。
以与用于试验例7-1到7-23中的表面被覆的端铣刀的切削试验(试验例2-2’)相同的方式，对上述试验样品的月牙洼磨损宽度进行测量。
工件：S50C
速度：V＝120m/分钟
进给量：f＝0.05mm/t
切削深度：Ad＝10mm，Rd＝0.6mm
切削油：无(鼓风机)
结果表明：试验样品10-1到10-12、10-16到10-19和10-21的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，如果将试验例2-2’中的试验样品7-14的磨损宽度定义为1，则试验样品10-3和10-6的磨损宽度值分别为0.39和0.42。
(试验例2-7)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表22中的试验样品10-2和10-13的组成相似的涂层，从而制备表面被覆的端铣刀。对于其涂层组成与试验样品10-2的组成相似的端铣刀，表面被覆的端铣刀是通过如下方法制成的：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。然后，采用与试验例2-6相同的切削条件进行侧铣加工。所述涂层都是在切削相关区域上形成的。
具有试验样品10-2中的涂层的试验样品，其最外层上的氯含量均为0.2原子％。
1.由符合JIS Z20的硬质合金制成的钎焊型端铣刀基材(切削部为硬质合金)
2.由JIS标准P20金属陶瓷制成的双刃方形端铣刀基材(直径为10mm)
3.由立方氮化硼(BN300，由住友电工硬质合金株式会社出品)制成的钎焊型球铣刀(切削部为立方氮化硼)
结果表明：所有由试验样品10-2中的涂层形成的表面被覆的端铣刀都具有优异的润滑性和耐磨性。结果发现：其工具使用寿命是由试验样品10-13中的常规涂层所形成的端铣刀的至少两倍。
[第三实施例]
下面将采用钻头作为实例对本发明进行更详细的描述。
(试验例3-1)
准备由符合JSS K10(直径为8mm)的硬质合金制成的整体型钻头基材。采用化学气相沉积技术中的热CVD技术、基于表12所示的成膜条件在基材的切削相关区域(主体)的表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：由TiN(0.5)、TiCN(4)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(1)形成的内层；以及由AlN(1.5)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。通过控制成膜时间来控制膜厚。通过改变成膜条件(如表12所示)，制备了其中最外层的AlN膜具有不同氯含量的试验样品。表23示出最外层的氯含量。具体地说，制备了氯含量大于0并且不超过0.5原子％的样品、氯含量大于0.5原子％的样品以及不含氯的样品。通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例(如表12所示)，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品11-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量。此外，还研究了试验样品中各层的努普硬度，并且发现：在所有的情况中，最外层AlN膜的硬度都比内层TiCN膜的低。
[表23]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  11-1   AlN*1   0.03
  11-2   AlN*1   0.18
  11-3   AlN*1   0.48
  11-4   AlN*2   0
  11-5   AlN*3   0.98
采用表24所示的切削条件，对表面被覆的钻头(其具有如表23所示的最外层)的切削效率进行观察。关于切削条件3，对工具在折损之前所钻的孔数进行研究。关于切削条件4，对孔的圆度进行研究。试验结果示于表25中。
[表24]
  切削条件3   切削条件4
  钻孔(通孔)工件：SCM440速度：V＝70m/分钟进给量：f＝0.3mm/转钻孔深度：40mm(L/D＝5)切削油：无(外部鼓风机)   钻孔(盲孔)工件：NAK80速度：V＝70m/分钟进给量：f＝0.25mm/转钻孔深度：40mm(L/D＝5)切削油：水溶性的切削油
[表25]
  试验样品号   切削条件3   切削条件4
  折损之前的孔数   孔口的圆度(微米)
  11-1   至少500(没有折损)   3.5
  11-2   至少500(没有折损)   2.1
  11-3   至少500(没有折损)   2.8
  11-4   285   13.8
  11-5   182   15.9
基于上述结果，如表25所示，在试验样品11-1到11-3(其中所述试验样品在其最外层上均具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层，而所述试验样品的内层均具有预定组成的膜)中，样品获得了优异的切屑排出性，并且切削部受到的损伤被减少，使得它们在延长的时间段内都可以顺利地切削。因此工具在折损之前可以达到的切削数显著增多。这表明工具使用寿命延长了。对于试验样品11-1到11-3，结果发现：其钻孔的圆度更高，并且可以进行高精度的切削加工。此外，这些试验样品11-1到11-3均具有优异的抗熔接性，并且没有发生涂层剥离等现象。
(试验例3-2)
准备与试验例3-1使用的硬质合金钻头基材相似的基材。在切削相关区域上进行热CVD，并且在表12所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层，所述涂层的形式与表16所示相同。
使用具有表16所示涂层的表面被覆的钻头、在下述条件下进行钻孔加工，并且测定在达到工具使用寿命之前所钻的孔数。将处于切削部端部的后刀面磨损达到0.3微米时的时间点、或者由于工具折损等原因使其不能继续切削时的时间点定义为工具使用寿命的终点。试验结果示于表26中。
钻孔(盲孔)
工件：S50C
速度：V＝100m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
孔深度：24mm(L/D＝3)
切削油：鼓风机
[表26]
结果发现：如表26所示，试验样品12-1到12-12、12-16到12-19、12-22和12-23的润滑性和耐磨性优于其它试验样品，其中试验样品12-1到12-12、12-16到12-19、12-22和12-23都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都以具有预定组成的膜作为内层。
此外，表26所示结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过24微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将由试验样品12-1到12-23所得到的钻头都切断，并且测量最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品12-22之外的其余所有钻头的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品12-22的Rmax为1.9微米。对于试验样品12-22，如试验样品7-22一样，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.45微米。当采用研磨后的钻头在相同的切削条件下进行钻孔加工时，其加工数为4500。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。当采用上述方法测量试验样品12-1的表面粗糙度时，其Rmax为0.78微米，但是当以相同的方式研磨其切削刃之后，发现其在再度钻孔加工之后的切削数显著增加，其切削数为5000。
此外，在试验样品12-23上形成了这样的涂膜，该涂膜使得内层的膜硬度比最外层的低。然后，对形成试验样品12-1到12-20、12-22和12-23的涂层的膜硬度进行测量。对于除试验样品12-23之外的其余所有钻头，最外层的膜硬度都比内层中的至少一层膜的膜硬度低。对于试验样品12-23，其最外层的膜硬度比内层的高。由此认为：试验样品12-23的切削效率比试验样品12-1到12-12低。
(试验例3-2’)
制备与试验样品12-1到12-23相似的表面被覆的钻头，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的孔数(500个孔)测量月牙洼磨损(宽度)。所述测量是测量切削部中心附近的月牙洼磨损宽度。以与试验例2-2’相似的方式进行测量。
以这些测量为基础，通过比较不同的试验样品对结果进行评价。
工件：S50C(盲孔)
速度：V＝70m/分钟
进给量：f＝0.25mm/转
孔深度：40mm(L/D＝5)
切削油：雾状物(可溶解的切削液)
结果表明：试验样品12-1到12-12、12-16到12-19、12-22和12-23的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，如果将试验样品12-14的磨损宽度定义为1，则试验样品12-3和12-9的磨损宽度值分别为0.32和0.38。
(试验例3-2”)
上述试验中进行的是干式切削加工。在本试验中，制备与试验样品12-1到12-23相似的钻头，并且在以下钻孔条件下、如上述试验一样测量钻孔数，所述钻孔条件为：钻孔深度为40mm(L/D＝5)；以及切削油：不使用鼓风机，而是采用湿式切削和喷雾切削。结果发现：以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层、并以具有预定组成的膜作为内层的试验样品，都具有优异的润滑性、优异的耐磨性和更长的工具使用寿命。
(试验例3-3)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表16中的试验样品7-2和7-13的组成相似的涂层，从而制备表面被覆的钻头。对于其涂层组成与试验样品7-2的组成相似的钻头，表面被覆的钻头是通过如下方法制成的：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。然后，采用与试验例3-2相同的切削条件(干式切削)进行钻孔(盲孔)加工。所述涂层都是在切削相关区域上形成的。
此外，对于其形成有试验例7-2中的涂层的试验样品，其最外层上的氯含量被设定为0.2原子％。
1.高速工具钢钻头基材(整体型)
结果表明：所有形成有试验样品7-2中的涂层的表面被覆的钻头都具有优异的润滑性和耐磨性。结果发现：其工具使用寿命是由试验样品7-13的常规涂层所形成的钻头的至少三倍。
(试验例3-4)
准备由硬质合金制成的、整体型钻头基材，所述硬质合金符合JIS K10(直径为8mm)。采用化学气相沉积技术中的热CVD技术、基于表17中的成膜条件在基材的切削相关区域(主体)的表面上形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：由TiN(0.5)、柱状结构TiCN(4)、TiBN(0.5)和κ-Al2O3(1)形成的内层；以及由AlN(1.5)形成的最外层。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，TiCN膜这样生长，使得它具有纵横比为4.2的柱状结构，并且(311)面的取向指数TC最大。更具体地说，设定TiN膜的成膜条件(气体组成、压力和温度)，使得：反应气体为CH3CN，温度为900℃，压力为8kPa，在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)为0.1微米。如表17所示，通过改变成膜条件来制备其中最外层的AlN膜中具有不同氯含量的试验样品。表27示出最外层的氯含量。具体地说，制备了氯含量大于0并且不超过0.5原子％的样品、氯含量大于0.5原子％的样品以及不含氯的样品。如表17所示，通过改变反应气体中氯化氢(HCl)的比例，使氯含量发生变化。此外，根据氯化氢的用量，适当改变成膜压力和成膜温度。此外，关于其最外层中氯含量大于0并且不超过0.5原子％的试验样品，还研究了其最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度。对工具的断面进行观察，结果表明：所有样品的Rmax(基准长度为5微米)都不超过1.3微米。更具体地说，例如，试验样品13-2的Rmax为0.6微米。使用XPS(X射线光电子能谱法)测量氯含量。
[表27]
  试验样品号   最外层   氯含量(原子％)
  13-1   AlN*1   0.03
  13-2   AlN*1   0.18
  13-3   AlN*1   0.48
  13-4   AlN*2   0
  13-5   AlN*3   0.98
采用表28所示的切削条件，对表面被覆的钻头(其具有如表27所示的最外层)的切削效率进行观察。关于切削条件III，对工具在折损之前所钻的孔数进行研究。关于切削条件IV，对孔的圆度进行研究。试验结果示于表29中。
[表28]
  切削条件III   切削条件IV
  钻孔(通孔)工件：SCM440速度：V＝70m/分钟进给量：f＝0.3mm/转钻孔深度：40mm(L/D＝5)切削油：无(外部鼓风机)   钻孔(盲孔)工件：NAK80速度：V＝70m/分钟进给量：f＝0.25mm/转钻孔深度：40mm(L/D＝5)切削油：水溶性的切削油
[表29]
  试验样品号   切削条件III   切削条件IV
  折损之前的孔数   孔口的圆度，微米
  13-1   至少500(没有折损)   3.8
  13-2   至少500(没有折损)   1.9
  13-3   至少500(没有折损)   3.1
  13-4   312   15.3
  13-5   250   12.1
基于上述结果，如表29所示，在试验样品13-1到13-3(其中所述试验样品在最外层均具有氯含量大于0并且不超过0.5原子％的氮化铝层，并且具有预定的TiCN膜内层)中，样品获得了优异的切屑排出性，并且切削部受到的损伤被减少，使得它们在延长的时间段内都可以顺利地切削。因此工具在折损之前可以达到的切削数显著增多。这表明工具使用寿命延长了。对于试验样品13-1到13-3，结果发现：其钻孔的圆度更高，并且可以进行高精度的切削加工。此外，这些试验样品13-1到13-3均具有优异的抗熔接性，并且没有发生涂层剥离等现象。
(试验例3-5)
准备与试验例3-4所用的硬质合金钻头基材相似的基材。在切削相关区域上进行热CVD，并且在表17所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，从基材侧开始形成以下各层：TiN(0.5)、柱状结构TiCN(4)或粒状结构TiCN(4)、TiBN(0.5)、Al2O3-ZrO2(1)；以及由AlN*1(1.5)形成的最外层(表18中的试验样品8-3的最外层)。括号内的数值表示以微米为单位的膜厚。通过控制成膜时间来控制膜厚。在本试验中，通过改变成膜压力和温度、以及通过改变在TiCN膜之下形成的TiN膜的表面粗糙度和气体条件(如表17所示)，使柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比以及具有最大取向指数的晶面发生变化。更具体地说，例如，通过如下方式将TiCN膜中柱状结构的纵横比设定为不低于3，所述方式为：使用CH3CN作为反应气体，气体温度被设定为920℃，气体压力被设定为6kPa，并且CH3CN反应气体被徐徐引入。此外，如果TiCN膜的最大取向指数是例如TC(422)，则基材的表面粗糙度Rmax(基准长度)被设定为0.09微米，并且在基材外侧(离开基材的一侧)调节TiCN膜中柱状结构的纵横比的同时形成TiCN膜。此外，对于所有的试验样品，在形成最外层之后，对最外层的表面进行研磨，使得在通过观察工具的断面而进行测量时，最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的部分的表面粗糙度Rmax(基准长度为5微米)均为0.4微米。表30示出TiCN膜的组成、纵横比以及具有最大取向指数TC的晶面。
[表30]
  试验样品号            内层TiCN膜   工具使用寿命期内所钻的孔数
结构 纵横比   具有最大TC的晶面
  14-1   柱状   5.1   311   800
  14-2   柱状   7.0   422   920
  14-3   柱状   3.2   220   900
  14-4   柱状   2.1   220   250
  14-5   柱状   4.0   420   210
  14-6   粒状   -   311   330
使用以表30所示的TiCN膜来形成内层的、表面被覆的钻头，在下述条件下进行钻孔加工，并且测定在达到工具使用寿命之前所钻的孔数。将处于切削部端部的后刀面磨损达到0.3微米时的时间点、或者由于工具折损等原因使其不能继续切削时的时间点定义为工具使用寿命的终点。表30还示出了本试验的结果。
钻孔(通孔)
工件：S50C
速度：V＝80m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
孔深度：40mm(L/D＝5)
切削油：雾状物(可溶解的切削液)
结果表明：如表30所示，对于TiCN膜而言，柱状结构具有更好的耐磨性。更具体地说，对于试验样品14-1到14-3而言，即使在干式切削时，它们的耐磨性也特别优异并且其使用寿命更长，其中所述试验样品在内层上都形成有柱状结构TiCN膜，该柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。工具使用寿命的延长被认为是由如下原因而造成的：最外层具有优异的润滑性，并且使用了耐磨性优异的、预定的TiCN膜作为内层。
(试验例3-6)
准备与试验例3-4所用的硬质合金钻头基材相似的基材。在切削相关区域上进行热CVD，并且以与表22所示涂层相同的方式在表17所示的成膜条件(气体组成、压力和温度)下形成涂层。在本试验中，如试验例2-6一样，控制成膜条件使得柱状结构TiCN膜中柱状结构的纵横比不低于3并且最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。
使用具有表22所示涂层的、表面被覆的钻头，在下述条件下进行钻孔加工，并且测定在达到工具使用寿命之前所钻的孔数。将处于切削部端部的后刀面磨损达到0.3微米时的时间点、或者由于工具折损等原因使其不能继续切削时的时间点定义为工具使用寿命的终点。试验结果示于表31中。
钻孔(盲孔)
工件：S50C
速度：V＝120m/分钟
进给量：f＝0.2mm/转
孔深度：24mm(L/D＝3)
切削油：空气鼓风机
[表31]
Figure A20058001105100561
结果发现：如表31所示，试验样品15-1到15-12、15-16到15-19和15-21的润滑性和耐磨性优于试验样品15-13到15-15和15-20，其中试验样品15-1到15-12、15-16到15-19和15-21都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层，并且都具有柱状结构TiCN膜内层，该柱状结构TiCN膜内层中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)，试验样品15-13到15-15和15-20对应于常规技术。
此外，表31所示的结果表明：最外层优选为不低于0.03微米，而总膜厚优选为不低于0.1微米并且不超过24微米。而且还可以看出：最外层优选为不超过内层总厚度的1/2。
将由试验样品15-1到15-21所得到的钻头都切断，并且测量最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的表面粗糙度(基准长度为5微米)。结果发现：除试验样品15-21之外的其余所有钻头的Rmax均不超过1.3微米，而试验样品15-21的Rmax为2.0微米。对于试验样品15-21，如试验样品10-21一样，使用#1500金刚石研磨膏对其最外层在周边切削刃的切削刃脊线附近与工件相接触的区域进行研磨。当研磨后再采用上述方法测量表面粗糙度时，其Rmax为0.52微米。当采用研磨后的钻头在相同的切削条件下进行钻孔时，其加工数为4000。这被认为是由于最外层在切削刃脊线附近与工件相接触的区域上的粗糙度被减小，从而导致切削力减小而造成的。
(试验例3-6’)
制备与试验样品15-1到15-21相似的表面被覆钻头，并且在下述切削条件下进行切削试验。然后对于预定的孔数(500个孔)测量月牙洼磨损(宽度)。
以与用于试验样品12-1到12-23中的表面被覆钻头的切削试验(试验例3-2’)相似的方式测量月牙洼磨损宽度。
工件：S50C(止孔(stopping hole))
速度：V＝100m/分钟
进给量：f＝0.25mm/转
孔深度：40mm(L/D＝5)
切削油：雾状物(可溶解的切削液)
结果表明：试验样品15-1到15-12、15-16到15-19以及15-21的月牙洼磨损比其它试验样品的少。例如，如果将试验例3-2’中的试验样品12-14的磨损宽度定义为1，则试验样品15-3和15-9的磨损宽度值分别为0.29和0.35。
(试验例3-6”)
上述试验中进行的是干式切削加工。在本试验中，制备与试验样品15-1到15-21相似的钻头，并且在以下钻孔条件下、如上述试验一样测量钻孔数，所述钻孔条件为：钻孔深度为40mm(L/D＝5)；以及切削油：用鼓风机进行的湿式切削和喷雾切削。结果发现：下述这样的试验样品都具有优异的润滑性、优异的耐磨性和更长的工具使用寿命：所述试验样品都以具有预定氯含量的氮化铝膜作为最外层、并且都具有柱状结构TiCN膜内层，该柱状结构TiCN膜内层中柱状结构的纵横比不低于3，并且其最大取向指数为TC(311)、TC(220)或TC(422)。
(试验例3-7)
使用下述基材、采用广为人知的PVD方法形成其组成与表22中的试验样品10-2和10-13的组成相似的涂层，从而制备表面被覆的钻头。对于其涂层组成与试验样品10-2的组成相似的钻头，表面被覆的钻头是通过如下方法制成的：在形成所述涂层之后，采用离子注入法把氯添加到最外层中。然后，采用与试验例3-6相同的切削条件(干式切削)进行钻孔(盲孔)加工。所述涂层都是在切削相关区域上形成的。
此外，对于其上形成有试验样品10-2中的涂层的试验样品，其最外层上的氯含量均设定为0.2原子％。
1.高速工具钢钻头基材(整体型)
结果表明：所有形成有试验样品10-2中的涂层的表面被覆的钻头都具有优异的润滑性和耐磨性。结果发现：其工具使用寿命是形成有试验样品10-13中的常规涂层的钻头的至少三倍。
工业实用性
本发明的表面被覆切削工具适合于在苛刻条件下进行切削加工，所述的苛刻条件可为例如，使切削刃产生高温的切削加工(诸如干式切削、喷雾切削和间歇式切削)、钻孔以及对容易发生熔接的工件的切削加工。
此外，本发明的表面被覆切削工具适合于在容易导致熔接的条件下切削钢材等。
附图说明
图1(A)是端铣刀的简化正视图。
图1(B)是钻头的简化正视图。
标记说明
1：副切削刃；2：周边切削刃；3、7：排屑槽；4、8：主体；5、9：柄；6：钻尖

Claims (12)

1.一种在基材表面上具有涂层的表面被覆切削工具，其中：
所述涂层由内层和最外层构成，所述内层形成在基材上，所述最外层形成在所述内层之上；
所述内层由化合物形成，该化合物由第一元素和第二元素构成，所述第一元素是至少一种选自在日本使用的元素周期表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si和B中的元素，所述第二元素是至少一种选自B、C、N和O中的元素，但是在所述内层中，不包括仅由B形成的膜；
所述最外层由氮化铝或碳氮化铝形成，所述最外层含有大于0并且不超过0.5原子％的氯。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述最外层还含有氧。
3.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述内层包含由含Ti化合物形成的膜。
4.根据权利要求3所述的表面被覆切削工具，其中所述内层包含由具有柱状结构的TiCN形成的膜。
5.根据权利要求4所述的表面被覆切削工具，其中所述的由TiCN形成的膜中柱状结构的纵横比不低于3，其中晶面(220)、晶面(311)或晶面(422)各自的取向指数TC(220)、TC(311)或TC(422)是最大取向指数。
6.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述最外层的膜厚不超过所述内层的总膜厚的1/2。
7.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述最外层的膜硬度低于形成所述内层的至少一层膜的硬度。
8.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中对于5微米的基准长度，所述最外层在切削刃脊线附近的部分的表面粗糙度Rmax不超过1.3微米，其中所述粗糙度是通过观察所述切削工具的断面而测定的。
9.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述基材是由WC系硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体或氮化硅烧结体制成的。
10.根据权利要求1到权利要求9中的任意一项所述的表面被覆切削工具，其中所述的表面被覆切削工具是更换型刀头、钻头或端铣刀。
11.根据权利要求1到权利要求9中的任意一项所述的表面被覆切削工具，其中：所述的表面被覆切削工具是更换型刀头；所述最外层的膜厚不低于0.03微米并且不超过10微米，并且所述涂层的总膜厚不低于0.1微米并且不超过30微米。
12.根据权利要求1到权利要求9中的任意一项所述的表面被覆切削工具，其中：所述的表面被覆切削工具是钻头或端铣刀；所述最外层的膜厚不低于0.03微米并且不超过8微米，并且所述涂层的总膜厚不低于0.1微米并且不超过24微米。
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