表面包覆切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种硬质包覆层具备优异的耐磨性的表面包覆切削工具，更详细而言 涉及一种即便用于碳钢、不锈钢、合金钢等高硬度钢的高速断续车削加工时也显示出长期 优异的切削性能的表面包覆切削工具（以下称为包覆工具）。
[0002] 本申请主张基于2012年11月30日于日本申请的日本专利申请2012-262089号、 2013年3月1日于日本申请的日本专利申请2013-40822号及2013年11月28日于日本申 请的日本专利申请2013-245678号的优先权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 通常，作为包覆工具有在各种钢或铸铁等工件的车削加工或平面铣削加工中以拆 卸自如地方式安装于刀具的前端部而使用的刀片、在工件的钻孔切削加工等中使用的钻头 或小型钻头、以及在工件的端面切削加工或槽加工、台肩加工等中使用的实心式立铣刀等。 并且，众所周知，作为包覆工具有以拆卸自如的方式安装刀片而与实心式立铣刀同样进行 切削加工的刀片式立铣刀等。
[0004] 以往，作为包覆工具之一，已知有通过设为如下结构而发挥优异的耐热性及循环 疲劳强度的包覆工具，即具有包含通过CVD (化学蒸镀）成膜的多个层的硬质包覆层，外层 由 IVxAlxNJihAlxC 和 / 或 IVxAlxCN (0· 65 彡 X 彡 0· 9,优选 0· 7 彡 X 彡 0· 9)构成，外层 具有100~I IOOMPa之间的压缩应力，优选具有400~800MPa之间的压缩应力，且TiCN层 或Al2O 3层配置于外层的下方（参考专利文献1)。
[0005] 并且，作为包覆工具之一，已知有如下包覆工具，其具有工具基体、形成于工具基 体上的耐磨层及形成于该耐磨层上的最表层，其中，所述耐磨层由第一元素的氮化物、碳氮 化物、氮氧化物或碳氮氧化物构成并具有立方晶结晶结构，该第一元素为下列（1)~（3)中 的任意一种，即
[0006] (1)为（TixAly)，0· 3 彡 X 彡 0· 7、0· 3 彡 y 彡 0· 7、x+y = 1
[0007] (2)为（TixAlySiz)，0· 3 彡 X 彡 0· 7、0· 3 彡 y 彡 0· 7、0· 05 彡 z 彡 0· 2、x+y+z = 1
[0008] (3)为（TixSiz)，0· 8 彡 X 彡 0· 95、0· 05 彡 z 彡 0· 2、x+z = 1
[0009] 所述最表层由第二元素即Al的氮化物、碳氮化物、氮氧化物或碳氮氧化物构成并 具有六方晶的结晶结构，并满足以下条件（参考专利文献2):
[0010] (a)耐磨层与最表层的总膜厚：0· 5 μπι以上15. 0 μπι以下；
[0011] (b)最表层的膜厚：0. 1 μ m以上5. 0 μ m以下。
[0012] 并且，作为其他包覆工具，已知有如下包覆工具，其在由碳化钨基硬质合金烧结体 构成的工具基体的表面蒸镀形成有由（Al，Ti)N构成的硬质包覆层，其中，硬质包覆层作为 以由粒状晶（Al，Ti)N构成的薄层A和柱状晶（Al，Ti)N构成的薄层B交替叠层结构而构 成，薄层A及薄层B分别具有0. 05~2 μ m的层厚，而且粒状晶的晶体粒径为30nm以下，且 柱状晶的晶体粒径为50~500nm，由此，在高硬度钢的高速断续切削加工中发挥优异的耐 磨性（参考专利文献3)。
[0013] 专利文献I :日本专利公表2011-513594号公报（A)
[0014] 专利文献2 :日本专利公开2005-271133号公报（A)
[0015] 专利文献3 :日本专利公开2011-224715号公报（A)
[0016] 近年来切削加工装置的高性能化显著，另一方面对于切削加工的节省人力及节能 以及低成本的要求越加强烈，随此，正在高速推进切削加工。例如，作为硬质包覆层，将蒸镀 形成（Ti，A1)N层等的以往包覆工具用于钢或铸铁的通常条件下的切削中时没有特别的问 题，但尤其将该以往包覆工具用于切削时伴随高热产生的碳钢、不锈钢、合金钢等高硬度钢 的高速断续车削加工中时，不能说硬质包覆层的耐氧化性及耐缺损性够充分，硬质包覆层 上有可能产生缺损、龟裂扩展、崩刀等。并且，作为硬质包覆层蒸镀形成（Ti，Al)系碳氮化 物层的以往包覆工具在不锈钢、合金钢等的高速断续车削加工中无法满足耐磨性。因此，现 如今不论何种以往包覆工具均在较短的时间内达到使用寿命。
【发明内容】
[0017] 本发明鉴于以上情况而完成，其目的在于提供一种具备在不锈钢、合金钢等高硬 度钢的断续切削加工中发挥优异的切削性能的硬质包覆层，且使用寿命比以往包覆工具长 的表面包覆切削工具。
[0018] 本发明人等基于上述观点，为了开发出具备尤其在不锈钢、合金钢等断续切削加 工中发挥优异的耐氧化性及耐缺损性的硬质包覆层，并且发挥优异的耐冲击性及耐磨性的 包覆工具，着眼于所述以往包覆工具的硬质包覆层，经研宄获得以下见解。
[0019] (a)硬质包覆层由（Al，Ti)N层构成的以往包覆工具中，硬质包覆层的构成成分即 Al提尚尚温硬度及耐热性，Ti提尚尚温强度，并且在共同含有Al和Ti的状态下具有提尚 高温耐氧化性的作用。
[0020] (b)若成膜时对施加于工具基体的偏置电压进行脉冲控制，并且改变其占空比，则 能够获得具有偏置电压为DC时获得的岩盐型（NaCl型）结晶结构（以下还称为岩盐型结 构）的晶粒以及具有结晶结构有所不同的纤锌矿型（ZnS型）结晶结构（以下还称为纤锌 矿型结构）的晶粒。
[0021] 并且，除了成膜时施加于膜的原料的能量、工具基体的温度之外，还能够通过操作 时间来控制晶粒的取向性。
[0022] (C)具有岩盐型结晶结构的（Al，Ti)N层为高硬度。因此，能够通过在工具基体上 形成（Al，Ti)N层提高包覆工具的耐磨性，但容易引起缺损或崩刀。
[0023] (d)通过混合存在具有岩盐型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒及具有化学性稳定且 润滑性优异的纤锌矿型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒这两者，能够提高耐缺损性。
[0024] (e)无秩序地形成具有岩盐型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒及具有纤锌矿型结晶 结构的（Al，Ti)N的晶粒时，由于结晶结构不同，因此两个晶粒的界面容易产生剥离，并缩 短工具寿命。
[0025] (f)通过对成膜时施加于工具基体的偏置电压进行脉冲控制，能够使具有岩盐型 结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒及具有纤锌矿型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒分别向特定方向 的低阶面（低次面）方向取向。由此，具有岩盐型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒及具有纤锌 矿型结晶结构的（Al，Ti)N的晶粒之间的粘附性得到提高，两个晶粒所具有的特性相辅相 成而发挥优异的膜特性。
[0026] (g)就满足所述（a)~（f)条件的硬质包覆层而言，即便提高压缩残余应力，硬质 包覆层也不易自我破坏，其结果，能够提高硬质包覆层的致密性，延长工具寿命。
[0027] 本发明基于所述研宄结果完成，其具有以下方式：
[0028] (1) -种在由碳化钨基硬质合金烧结体构成的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包 覆层的表面包覆切削工具，其中，
[0029] (a)所述硬质包覆层的组成由组成式：(A1XIVX)N(0. 5 < X < 0. 8)表示，所述硬 质包覆层的平均层厚为〇. 5 ym以上7. 0 ym以下，
[0030] (b)所述硬质包覆层由平均粒径为5nm以上50nm以下的晶粒构成，
[0031] (C)所述晶粒中混合存在具有岩盐型结构的立方晶系晶粒及具有纤锌矿型结构的 六方晶系晶粒，并且，
[0032] (d)所述立方晶系晶粒的{200}及所述六方晶系晶粒的{11-20}垂直取向于所述 工具基体的表面。
[0033] (2) (1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述硬质包覆层的组成由组成式： (AlxTi1J N (0. 6彡X彡0. 8)表示，所述硬质包覆层的平均层厚为0. 5 μ m以上5. 0 μ m以下，
[0034] 所述硬质包覆层的压缩残余应力为8GPa以上12GPa以下。
[0035] (3)⑴或⑵所述的表面包覆切削工具，其中，所述晶粒的平均纵横尺寸比为3以 下。
[0036] (4) (1)至（3)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，从所述硬质包覆层的剖 面方向照射电子射线而观察到的电子射线衍射图形中，
[0037] 观察到源自所述岩盐型结构的衍射环的一部分及源自所述纤锌矿型结构的衍 射环的一部分，源自所述岩盐型结构的（200)的衍射圆弧与源自所述纤锌矿型结构的 (11 -20)的衍射圆弧均不是完整的圆环而是圆弧，
[0038] 源自所述岩盐型结构的（200)的衍射圆弧及源自所述纤锌矿型结构的（11-20)的 衍射圆弧各自的角度大小分别为60度以下，并且关于分别源自所述岩盐型结构的（200)的 衍射圆弧及源自所述纤锌矿型结构的（11-20)的衍射圆弧，连结所述衍射圆弧的半径中心 和所述衍射圆弧的张角的中点的直线与工具基体表面所成之角Φ (其中，Φ <90° )为75 度以上。
[0039] (5) (1)至（4)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，从所述硬质包覆层的剖 面方向照射电子射线而观察到的电子射线衍射图形中，
[0040] 将计算出与工具基体表面垂直方向的衍射图形的强度分布时的、所述岩盐型结构 的（200)衍射圆弧的衍射强度设为Ic，将所述纤锌矿型结构的（11-20)衍射圆弧的衍射强 度设为Ih时，
[0041] 0. 8 ^ Ic/(Ic+Ih) ^ 0. 3
[0042] (6) (1)至（5)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，所述硬质包覆层的上层 存在上部层，或在所述硬质包覆层的下层存在下部层，所述上部层由TiN、（Ti，Al)N、Ti(C， N)、（Al，Cr)N、CrN中的任一种构成且平均层厚为0. 1 μπι以上0. 3 μπι以下，所述下部层由 TiN、（Ti，Al)N、Ti(C，N)、（Al，Cr)N、CrN 中的任一种构成且平均层厚为 0· 5μπι 以上 L 5μπι 以下。
[0043] (7)⑴至（5)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，在所述硬质包覆层的下 层形成有下部层，所述下部层由TiN、（Ti，Al) N、Ti (C，N)、（Al，Cr) N、CrN中的任一种构成 且平均层厚为〇. 5 μ m以上1. 5 μ m以下。
[0044] (8) (7)所述的表面包覆切削工具，其中，在所述硬质包覆层的上层形成有上部 层，所述上部层由TiN、（Ti，Al) N、Ti (C，N)、（Al，Cr) N、CrN中的任一种构成且平均层厚为 0· Iym以上0·3μηι以下。
[0045] (9) (8)所述的表面包覆切削工具，其中，所述下部层由TiN构成，所述上部层由 CrN构成。
[0046] (10) (7)所述的表面包覆切削工具，其中，所述下部层为（Al，Cr)N。
[0047] (11)⑴或⑵所述的表面包覆切削工具，其中，所述晶粒的平均纵横尺寸比为 1. 4以上1. 8以下。
[0048] 本发明的表面包覆切削工具中，优选所述硬质包覆层通过使用压力梯度型等离子 枪的离子镀法蒸镀形成于工具基体，在蒸镀形成时对工具基体施加受到脉冲控制的偏置电 压。
[0049] 并且，本发明的表面包覆切削工具中，进一步优选所述硬质包覆层通过使用压力 梯度型等离子枪的离子镀法蒸镀形成于工具基体，并在蒸镀形成时对工具基体施加受到脉 冲控制的偏置电压和直流偏置电压。
[0050] 本发明的一种方式所涉及的表面包覆切削工具为，在由碳化钨基硬质合金烧结体 构成的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包覆层的表面包覆切削工具。该表面包覆切削工具 中，硬质包覆层的组成由组成式：(Al xTih)MO. 5彡X彡0. 8)表示，硬质包覆层的平均层 厚为0· 5 μπι以上7. 0 μπι以下。硬质包覆层由平均粒径为5nm以上50nm以下的微细晶粒 构成。该硬质包覆层中混合存在显示岩盐型结构的立方晶系晶粒及显示纤锌矿型结构的六 方晶系晶粒。所述立方晶系晶粒的{200}垂直取向于工具基体表面，所述六方晶系晶粒的 {11-20}垂直取向于工具基体表面。通过具备以上结构，本发明的一种实施方式的表面包覆 切削工具的硬质包覆层具有优异的耐磨性及耐缺损性。其结果，本申请发明的表面包覆切 削工具的寿命得到延长。而且各晶粒的取向被控制在特定的方向上，由此每个晶粒的耐磨 性也得到进一步提高。
[0051] 本发明的另一方式所涉及的表面包覆切削工具为，在由碳化钨基硬质合金烧结体 构成的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包覆层的表面包覆切削工具。该表面包覆切削工具 中，硬质包覆层的组成由组成式= (Al