表面包覆切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种表面包覆切削工具（以下称为包覆工具），其具有在淬火钢等高 硬度钢的切削加工中发挥优异的耐磨性的硬质包覆层。
[0002] 本申请基于2013年3月22日于日本申请的专利申请2013-061011号、2013年3 月22日于日本申请的专利申请2013-061010号、2013年7月25日于日本申请的专利申请 2013-154110号、及2013年7月25日于日本申请的专利申请2013-154111号主张优先权， 并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 通常，包覆工具中有：刀片，装卸自如地安装于在各种钢或铸铁等工件的车削加工 或平面铣削加工中使用的车刀的前端部；钻头，使用于所述工件的钻孔切削加工等；及整 体式立铣刀，使用于所述工件的面削加工或槽加工、台肩加工，等。并且，作为包覆工具已知 有刀尖更换式立铣刀工具等，该刀尖更换式立铣刀工具装卸自如地安装所述刀片，并与所 述整体式立铣刀同样地进行切削加工。
[0004] 例如，如专利文献1所示，作为包覆工具已知有如下包覆工具，其在由碳化钨（以 下，以WC来表示）基硬质合金构成的基体（以下，称为工具基体）的表面蒸镀形成由A1、 Cr及B的复合氮化物[以下，以（Al，Cr，B)N来表示]层构成的硬质包覆层。已知在这种 以往的包覆工具中，构成硬质包覆层的所述（Al，Cr，B)N层的粘附性、耐高温氧化特性、耐 磨性优异，因此发挥优异的切削性能。
[0005] 并且，已知有上述以往的包覆工具是通过离子镀法或溅射法而成膜的。例如，作为 基于电弧离子镀的成膜，已知有使用如图1A、IB所示的电弧离子镀装置100的方法。电弧 离子镀装置100具备：用于放置工具基体（硬质基体）1的转台101 ;用于加热工具基体1 的加热器102 ;用于导入反应气体的反应气体导入口 103 ;用于向系统外排出气体的排气口 104 ;两个阳极电极111、112 ;及两个阴极电极113、114。阳极电极111和阴极电极113连接 于装置100外部的电弧电源115，阳极电极112和阴极电极114连接于装置100外部的电弧 电源116,转台101连接于装置100外部的偏置电源117。这种电弧离子镀装置100内的转 台101上安装有工具基体（硬质基体）1，用加热器102将工具基体1加热到500°C的温度， 从反应气体导入口 103向装置100内导入氮气作为反应气体而设为2Pa的反应气氛，另一 方面，由偏置电源117对上述工具基体1施加 -100V的偏置电压。也已知有在这种条件下， 在阳极电极111和设置有规定组成的Al-Cr-B合金（Al-Cr-B合金靶）的阴极电极113之 间，由电弧电源115供给90A的电流，以使电弧放电产生，并通过在所述工具基体1的表面 蒸镀形成上述（Al，Cr，B) N而能够制造包覆工具。
[0006] 并且，如专利文献2所示，作为包覆工具，已知有如下包覆工具，其由碳化钨（以 下，以WC来表示）基硬质合金构成的基体（以下，称为工具基体）的表面蒸镀形成由Al、Cr 及Si的复合氮化物层构成的硬质包覆层。已知在这种以往的包覆工具中，构成硬质包覆层 的所述Al、Cr及Si的复合氮化物层的粘附性、耐高温氧化特性、耐磨性优异，因此发挥优异 的切削性能。
[0007] 并且，已知有上述以往的包覆工具是通过离子镀法或溅射法而成膜的。例如，作为 基于电弧离子镀的成膜，如图4A、4B所示，已知有使用电弧离子镀装置200的方法。电弧离 子镀装置200具备：用于放置工具基体（硬质基体）2的转台201 ;用于加热工具基体2的加 热器202 ;用于导入反应气体的反应气体导入口 203 ;用于向系统外排出气体的排气口 204 ; 两个阳极电极21U212 ;及两个阴极电极213、214。阳极电极211和阴极电极213连接于装 置200外部的电弧电源215,阳极电极212和阴极电极214连接于装置200外部的电弧电 源216,转台201连接于装置200外部的偏置电源217。这种电弧离子镀装置200内的转台 201上安装有工具基体（硬质基体）2,用加热器202将工具基体2加热到500°C的温度，从 反应气体导入口 203向装置200内导入氮气作为反应气体而设为2Pa的反应气氛，另一方 面，由偏置电源217对上述工具基体2施加-100V的偏置电压。也已知有在这种条件下，在 阳极电极211和设置有规定组成的Al-Cr-Si合金（Al-Cr-Si合金靶）的阴极电极213之 间，由电弧电源215供给90A的电流，以使电弧放电产生，并通过在所述工具基体2的表面 蒸镀形成上述Al、Cr及Si的复合氮化物而能够制造包覆工具。
[0008] 然而，在包覆工具中，为了实现进一步改善其切削性能，尤其耐崩刀性、耐磨性等， 提出各种硬质包覆层的组织结构。
[0009] 例如，在专利文献3中，作为通过抑制前刀面上的包覆层的缺损而提高耐缺损性， 并提高后刀面上的耐磨性的包覆工具，记载有如下包覆工具（立铣刀）。即，记载有一种包 覆工具（立铣刀），其以柱状晶体构成包覆层，且前刀面上的包覆层厚度比后刀面上的包覆 层厚度薄，由包覆层基体侧的下层区域和平均晶体宽度比该下层区域的平均晶体宽度大的 包覆层表面侧的上层区域这两层区域来构成包覆层，前刀面上的上层区域的厚度相对于包 覆层厚度的比率比后刀面上的上层区域的厚度相对于包覆层厚度的比率小，前刀面上的柱 状晶体的平均晶体宽度比后刀面上的柱状晶体的平均晶体宽度小。
[0010] 并且，例如，在专利文献4中记载有如下包覆工具，其具备使耐磨性和韧性并存， 且与基材的粘附性也优异的被膜。即，记载有一种包覆工具，其中，形成于基材上的被膜包 括第1被膜层，该第1被膜层包括微细组织区域和粗大组织区域，在该微细组织区域中，构 成该区域的化合物的平均晶粒直径为10~200nm，且自该第1被膜层的表面侧，相对于该第 1被膜层的整体厚度占50%以上的厚度的范围而存在，且具有-4GPa以上且-2GPa以下的 范围的平均压缩应力，该第1被膜层在其厚度方向上具有应力分布，在其应力分布中具有 两个以上的极大值或极小值，这些极大值或极小值越位于厚度方向表面侧，则具有越高的 压缩应力。
[0011] 专利文献1 :日本专利第3669700号公报
[0012] 专利文献2 :日本专利第3598074号公报
[0013] 专利文献3 :日本专利公开2008-296290号公报
[0014] 专利文献4 :日本专利公开2011-67883号公报
[0015] 近年来，切削加工装置的高性能化显著，另一方面，对切削加工的节省人力及节能 化、而且对低成本化的要求强烈，随之，逐渐在进一步严格的切削条件下进行切削加工。
[0016] 在上述以往的包覆工具中，可实现某种程度的耐崩刀性、耐缺损性、耐磨性的改 善。然而，当将这些包覆工具使用于淬火钢等高硬度钢的进一步严格的切削加工中时，容易 产生崩刀等异常损伤，并且磨损严重。其结果，目前在较短时间内便达到使用寿命。
【发明内容】
[0017] 本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种表面包覆切削工具，该表 面包覆工具即使在淬火钢等高硬度钢的切削加工中，也不会产生异常损伤且耐磨性也优 异，在长期使用中发挥优异的切削性能。
[0018] 本发明人等为了达到上述目的，对硬质包覆层的晶体组织结构进行深入的研究， 其结果获得以下见解。
[0019] 以往，在制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法，通常采用的是CVD法、PVD 法等。例如，当利用作为一种PVD法的电弧离子镀法（以下，称为AIP法）来成膜由（A1， Cr，B) N构成的硬质包覆层时，将工具基体安装到装置内，并施加规定的偏置电压，并且在将 装置内部加热到规定温度的状态下，使电弧放电在阳极电极和规定组成的Al-Cr-B合金靶 之间产生，同时将氮气作为反应气体导入到装置内，并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀， 从而成膜硬质包覆层（参考图1A、1B)。
[0020] 本发明人等在成膜基于上述以往的AIP法的由（Al，Cr，B)N构成的硬质包覆层时， 在工具基体和靶之间施加磁场，并调查和研究磁场对硬质包覆层的组织结构带来的影响， 结果发现，通过在规定强度的磁场中进行基于AIP法的硬质包覆层的成膜，能够调整构成 硬质包覆层的粒状晶粒的晶粒直径。并且，本发明人等发现，具备如此适当地调整硬质包覆 层的晶粒直径的由（Al，Cr，B)N构成的硬质包覆层的包覆工具，在淬火钢等高硬度钢的切 削加工中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。
[0021] 本发明的第一方式是基于上述见解而完成的，其为具有以下特征的表面包覆切削 工具。
[0022] -种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形 成有平均层厚为2~10 μ m的硬质包覆层，其中，
[0023] (a)硬质包覆层由Al、Cr及B的复合氮化物层构成，且在该层中，在Al、Cr及B的 总量中Cr所占的含有比例为0. 2~0. 45 (其中为原子比），B所占的含有比例为0. 01~ 〇.1(其中为原子比）；
[0024] (b)在从上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距离100 μm的位置为止的范围内， 硬质包覆层具有粒状晶体组织，另外，硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为〇. 1~ 0. 4 μπι，并且，工具基体与硬质包覆层的界面上的粒状晶粒的平均粒径比硬质包覆层表面 的粒状晶粒的平均粒径小0. 02~0. 1 μL?，而且，粒径为0. 1 μL?以下的晶粒所占的晶粒直径 长度比例为20%以下。
[0025] 并且，以往，在制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法，通常采用CVD法、 PVD法等。在通过作为一种PVD法的电弧离子镀法（以下，称为AIP法）成膜Al、Cr及Si 的复合氮化物[以下，以（Al，Cr，Si)N来表示]构成的硬质包覆层时，将工具基体安装于装 置内，并施加规定的偏置电压，并且，在将装置内部加热到规定温度的状态下，使电弧放电 在阳极电极和规定组成的Al-Cr-Si合金靶之间产生，同时将氮气作为反应气体导入到装 置内，并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀，从而成膜硬质包覆层（参考图4A、4B)。
[0026] 本发明人等在基于上述以往的AIP法而成膜由（Al，Cr，Si)N构成的硬质包覆层 时，对工具基体与靶之间施加磁场，并调查和研究了磁场对硬质包覆层的组织结构带来的 影响，其结果发现，通过在规定强度的磁场中进行基于AIP法的硬质包覆层的成膜，能够调 整构成硬质包覆层的粒状晶粒的晶粒直径。并且，本发明人等发现，具备如此适当地调整硬 质包覆层的晶粒直径的由（Al，Cr，Si)N构成的硬质包覆层的包覆工具，在淬火钢等高硬度 钢的切削加工中，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。
[0027] 本发明的第二方式是基于上述见解而完成的，其为具有以下特征