硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在合金钢等的伴随高热发生并且冲击性负荷作用于切削刃的高 速断续切削加工中，通过硬质包覆层具备优异的耐崩刀性而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）。
【背景技术】
[0002] 以往，已知一般在由碳化钨（以下用WC表示）基硬质合金、碳氮化钛（以下用TiCN 表示）基金属陶瓷或立方晶氮化硼（以下用cBN表示）基超高压烧结体构成的基体（以下 将这些统称为基体）的表面，通过物理蒸镀法包覆形成Ti-Al系的复合氮化物层作为硬质 包覆层的包覆工具，并且已知这些包覆工具发挥优异的耐磨性。
[0003] 但是，所述以往的包覆形成有Ti-Al系的复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨性比 较优异，但在高速断续切削条件下使用时容易发生崩刀等异常损耗，因此对硬质包覆层的 改善提出了各种方案。
[0004] 例如，专利文献1中公开有如下包覆工具：在工具基体上，通过物理蒸镀法包覆有 一层以上的由包括Ti、Al、Si的金属元素或将Ti的一部分由周期表4、5、6族元素取代的金 属元素、及选自B、C、N、0中的至少一种以上的元素构成的硬质包覆层，其中，在硬质包覆层 中夹有Si的氮化物相，由此能够应对热处理后的高硬度钢切削加工的干式化、高速化，且 即使在高温下也能够抑制硬质包覆层的硬度劣化。
[0005] 并且，专利文献2中公开有如下内容：在工具基体表面依次包覆第1包覆层、及具 有柱状晶体结构且沿相对于工具基体表面的垂线方向以平均1~15°的角度倾斜的方向 生长的第2包覆层，由此即使冲击施加于硬质包覆层，从第2包覆层传递的力也会分散而冲 击难以传递至第1包覆层，裂纹难以扩展，其结果，能够抑制在硬质包覆层中发生的崩刀和 较大的缺损。
[0006] 另外，专利文献3中公开有如下表面包覆切削工具：具备工具基体和形成于该基 体上的硬质包覆层，其中，硬质包覆层通过包含化合物和氯来飞跃性地提高硬质包覆层的 耐磨性和抗氧化性，该化合物由在A1或Cr中的任意一种或两种元素、选自周期表4a、5a、6a 族元素及Si中的至少一种元素、及选自碳、氮、氧及硼中的至少一种元素构成。
[0007] 另一方面，通过一直以来通用的物理蒸镀法蒸镀形成硬质包覆层时，难以将A1的 含有比例x设为0. 6以上，期待进一步提高切削性能。
[0008] 从这种观点出发，还提出了通过利用化学蒸镀法形成硬质包覆层来将A1的含有 比例x提高至0. 9左右的技术。
[0009] 例如，专利文献4中记载有如下内容：在TiCl4、A1C13、順3的混合反应气体中，在 650~900°C的温度范围进行化学蒸镀，由此能够蒸镀形成A1的含有比例x的值为0. 65~ 0.95的（TihAl^N层，该文献中，在该（TihAljN层之上还包覆A1203层，由此以提高绝热 效果为目的，因此并没有公开形成将x的值提高至0. 65~0. 95的（TihAlx)N层对切削性 能有何种影响。
[0010] 并且，例如，专利文献5中提出了如下内容：将TiCN层、A1203层作为内层，在其上 通过化学蒸镀法包覆立方晶结构或包含六方晶结构的立方晶结构的（TihAl^N层（其中， x为0. 65~0. 9)作为外层，并且对该外层赋予100~llOOMPa的压缩应力，由此改善包覆 工具的耐热性和疲劳强度。
[0011] 专利文献1 :日本专利公开2002-96205号公报
[0012] 专利文献2:日本专利公开2008-105164号公报
[0013] 专利文献3:日本专利公开2006-82207号公报
[0014] 专利文献4:日本专利公表2011-516722号公报
[0015] 专利文献5:日本专利公表2011-513594号公报
[0016] 近年来，切削加工中的节省劳力化及节能化的要求强烈，随之切削加工有进一步 高速化、高效率化的趋势，对包覆工具要求进一步的耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性等耐异 常损伤性，并且要求在长期使用中发挥优异的耐磨性。
[0017] 但是，所述专利文献1中记载的包覆工具中，由（TihAlx)N层构成的硬质包覆层 通过物理蒸镀法蒸镀形成，在硬质包覆层中夹有Si等的氮化物相，由此纳米晶分散于具 有fee结构且以柱状生长的TiAIN层内，该纳米晶发生晶格应变，并通过弥散强化机构使 TiAIN的硬度上升，但该纳米晶在粒界偏析，因此例如当供合金钢的高速断续切削时，存在 耐磨性、耐崩刀性不充分的课题。
[0018] 并且，专利文献2及专利文献3中记载的包覆工具意在分别提高耐缺损性及耐磨 性、抗氧化特性，但在如高速断续切削等伴随冲击的切削条件下，存在耐崩刀性不充分的课 题。
[0019] 另一方面，关于通过所述专利文献4中记载的化学蒸镀法蒸镀形成的（TihAljN 层，能够提高A1含有比例x，并且，能够形成立方晶结构，因此可以得到具有规定硬度且耐 磨性优异的硬质包覆层，但存在与基体的粘附强度不充分，并且，韧性较差的课题。
[0020] 另外，所述专利文献5中记载的包覆工具虽然具有规定硬度且耐磨性优异，但韧 性较差，因此当供合金钢的高速断续切削加工等时，存在容易发生崩刀、缺损、剥离等异常 损伤，无法发挥令人满意的切削性能的课题。
【发明内容】
[0021] 因此，本发明所要解决的技术课题、即本发明的目的在于提供一种即使在供合金 钢、碳钢、铸铁等的高速断续切削等时，也具备优异的韧性，且在长期使用中发挥优异的耐 崩刀性、耐磨性的包覆工具。
[0022] 因此，本发明人们从上述观点出发，为了实现改善通过化学蒸镀蒸镀形成有至少 包含Ti与A1的复合氮化物或复合碳氮化物（以下，有时用"（Ti，Al) (C，N) "或"（TihAlJ (CyNh) "表示）的硬质包覆层的包覆工具的耐崩刀性、耐磨性而反复进行了深入研宄，结果 得到如下见解。
[0023]即，以往的至少包含一层aVxAlx)(CyNh)层且具有规定的平均层厚的硬质包覆 层当（TihAlxMCyNh)层在工具基体上沿垂直方向呈柱状形成时，具有较高的耐磨性。另 一方面，（TihAlJ(CyNh)层的各向异性越高（TihAlJ(CyNh)层的韧性越下降，其结果，耐 崩刀性、耐缺损性下降，无法在长期使用中发挥充分的耐磨性，并且，工具寿命也不能说令 人满意。
[0024] 因此，本发明人们对构成硬质包覆层的（TihAlJ(CyNh)层进行了深入研宄，使选 自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素（以下用"Me"表示）含于硬质包覆层中，从而由立方晶相 和六方晶相构成（TinyAlJMey) (CzNh)层，并且，在立方晶相内形成Ti、A1及Me的周期性 浓度变化，着眼于这种全新的构思，通过使立方晶粒发生应变来成功地提高硬度和韧性，其 结果，发现能够提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性的崭新的见解。
[0025] 具体而言，发现如下：硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为 1~20ym的Ti、A1及Me(其中，Me为选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素）的复合氮化物 或复合碳氮化物的层，当以组成式：（TimAIxMey) (CzNh)表示时，A1在Ti、A1及Me的总 量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、A1及Me的总量中所占的平均含有比例Yav以 及C在C及N的总量中所占的平均含有比例Zav(其中，Xav、Yav、Zav均为原子比）分别 满足 0? 60 彡Xav彡 0? 95、0. 005 彡Yav彡 0? 10、0 彡Zav彡 0? 005、Xav+Yav彡 0? 955,所述 复合氮化物或复合碳氮化物的层包含具有NaCl型的面心立方结构的晶粒（或还包含具有 纤锌矿型的六方晶结构的晶粒），从与工具基体表面垂直的皮膜截面观察、测定各个晶粒的 粒子宽度和纵横尺寸比来求出平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A时，当将具有NaCl型的 面心立方结构的晶粒的与工具基体表面平行的方向的粒子宽度设为w，并且将与工具基体 表面垂直的方向的粒子长度设为1，将该w与1之比1/w设为各晶粒的纵横尺寸比a，另外， 将对各个晶粒求出的纵横尺寸比a的平均值设为平均纵横尺寸比A，将对各个晶粒求出的 粒子宽度w的平均值设为平均粒子宽度W时，是平均粒子宽度W为0. 05~1. 0ym且平均 纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，在所述NaCl型的面心立方结构的晶粒内存在组成式： (TinyAlxMey) (CU中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化（即，x、y、z并非恒定值，而是周 期性变化的值），当将A1的含有比例x发生周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax 且将A1的含有比例x发生周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin时，Xmax与Xmin 之差为0. 05~0. 25,由此可以使具有NaCl型的面心立方结构的晶粒发生应变，与以往的硬 质包覆层相比，（Ti^AlxMey) (CzNh)层的硬度和韧性得到提高，其结果，耐崩刀性、耐缺损 性得到提高，从而长期发挥优异的耐磨性。
[0026] 而且，如上所述的结构的（TinyAlxMey) (CzNh)层例如在通过含有三甲基铝 (A1(CH3)3)作为反应气体成分的以下的化学蒸镀法进行成膜时，能够通过添加SiCl4来成 膜。
[0027] (a)成膜工序
[0028]将反应气体组成（容量％ )设为TiCl4:l. 5 ~2. 5%、A1(CH3)3:0 ~5%、A1C1 3: 6 ~10%、MeCln:l~3%、NH3:10 ~12%、N2:6 ~7%、C2H4:0 ~1%、H2:剩余，并且设为 反应气氛压力：2~3kPa、反应气氛温度：700~900°C来进行规定时间的热CVD法，由此在 工具基体表面形成规定目标层厚的（TimAIxMey) (CzNh)层。
[0029] (b)蚀刻工序
[0030]在所述（a)的成膜工序时，进行规定时间、规定次数的由TiCl4:2. 0~5. 0容量％、H2:剩余、反应气氛压力：2~5kPa、反应气氛温度：750~900°C的条件构成的TiCl4蚀刻工 序。
[0031] 另外，作为在上述[(a)成膜工序]中使用的反应