表面包覆切削工具的制作方法

本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)，该表面包覆切削工具在合金钢等的断续切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，在长期使用中发挥优异的切削性能。

背景技术：

通常，作为包覆工具，已知有：在各种钢或铸铁等被切削材料的车削加工或平面铣削加工中装卸自如地安装于车刀的前端部来使用的可转位刀片；在所述被切削材料的钻孔切削加工等中所使用的钻头或小型钻头(miniaturedrill)；在所述被切削材料的端面切削加工或槽加工、台阶面加工等中所使用的立铣刀；及在所述被切削材料的齿形的切齿加工等中所使用的整体式滚刀(solidhob)、插齿刀(pinioncutter)等。

并且，以改善包覆工具的切削性能为目的，以往提出了很多方案。

例如，如专利文献1所示，提出有一种厚膜、高硬度及低残余应力的耐磨性包覆工具，该包覆工具的工具基体表面包含有涂层，该涂层包含通过物理蒸镀而沉积的耐火层，其中，所述耐火层包含m1-xalxn(式中，x≥0.68，且m为ti、cr或zr)，所述耐火层含有立方晶相，且该包覆工具至少具有25gpa的硬度。

并且，在专利文献2中提出有一种耐磨性优异的包覆工具，该包覆工具的工具基体表面包覆有由tialn层构成的硬质包覆层，其中，上述硬质包覆层沿层厚方向具有成分浓度分布结构，该成分浓度分布结构中al最高含有点(ti最低含有点)与al最低含有点(ti最高含有点)隔开规定间隔而交替地重复存在，且al(ti)含量从所述al最高含有点向所述al最低含有点、从所述al最低含有点向所述al最高含有点连续发生变化，而且，上述al最高含有点满足组成式：(ti1-xalx)n(其中，以原子比计，x表示0.70～0.95)，上述al最低含有点满足组成式：(ti1-yaly)n(其中，以原子比计，y表示0.40～0.65)，且相邻的上述al最高含有点与al最低含有点的间隔为0.01～0.1μm。

专利文献1：日本特开2015-36189号公报

专利文献2：日本特开2003-211304号公报

近年来，切削加工装置的高性能化显著，另一方面，对切削加工的节省劳力化及节能化，进一步低成本化的要求强烈，随此，切削加工逐渐趋于高速化、高效率化，但在上述现有包覆工具中，在将其使用于钢或铸铁等通常的切削条件下的切削加工的情况下，不会产生特别的问题，但将其使用于例如合金钢等断续切削加工那样的伴有高热发生，而且，对切削刃施加冲击性的断续的高负荷的切削加工的情况下，现状是无法抑制龟裂的产生、扩散，并且，还促进磨损的发展，因此在较短时间内达到使用寿命。

例如，在专利文献1所示的现有包覆工具中，作为m1-xalxn的一个方式的tialn层为高硬度且耐磨性优异的层，且al含量越多耐磨性越优异，其另一方面，晶格应变变大，因此存在耐崩刀性降低的问题。

并且，在专利文献2所示的现有包覆工具中，能够通过沿层厚方向形成组成变化来兼顾高温硬度及耐热性、韧性，但由于层内的各向异性，存在无法充分防止层厚与垂直方向的龟裂的产生、扩散的问题。

技术实现要素：

因此，本发明人等根据上述观点，为了开发合金钢等断续切削加工那样的伴有高热发生且对切削刃作用有冲击性的、断续的高负荷的切削加工条件下，硬质包覆层可兼顾优异的耐崩刀性与耐磨性的包覆工具，着眼于硬质包覆层的成分组成、晶体结构及层结构等而进行研究的结果，得出了如下见解。

即，本发明人发现：在工具基体表面形成由ti与al的复合氮化物(以下，有时以“tialn”表示。)层构成的硬质包覆层而成的包覆工具中，将该层中的al在ti与al的总量中所占的组成比例设为较高，从而确保整个硬质包覆层的耐磨性，并且在层内，至少沿与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向上，形成ti成分的组成相对高的带状区域(以下，有时称为“高ti带状区域”。)，由此消除如所述专利文献2所示那样的因具有各向异性的硬质包覆层而引起的剥离的产生之类的问题，并且具有韧性的高ti带状区域吸收、缓和切削加工时的冲击性的、断续的负荷，由此抑制硬质包覆层中的龟裂的产生、扩散，可抑制因它们而引起的崩刀的产生。

因此，本发明的包覆工具在伴有高热发生且对切削刃作用有冲击性的、断续的高负荷的断续切削加工条件下，能够兼顾优异的耐崩刀性与耐磨性。

本发明是根据上述见解而完成的，其特征为如下。

(1)一种表面包覆切削工具，在由wc基硬质合金、ticn基金属陶瓷及立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体的表面，设有至少包含ti与al的复合氮化物层的硬质包覆层，所述复合氮化物层的平均层厚为0.5～10.0μm，该表面包覆切削工具的特征在于，

关于所述ti与al的复合氮化物层，在将其组成以组成式：(tixal1-x)n表示的情况下，具有满足0.10≤x≤0.35的平均组成，其中，x为原子比，

在所述ti与al的复合氮化物层中存在带状区域，在所述带状区域中，相较于所述ti成分的平均组成x，ti成分的组成相对高，且所述带状区域至少沿与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向而存在。

(2)根据(1)所记载的表面包覆切削工具，其特征在于，在将所述ti成分的组成相对高的带状区域的ti成分的平均组成设为x的情况下，所述ti与al的复合氮化物层中的ti成分的平均组成x和所述x满足(x+0.01)≤x≤(x+0.05)的关系。

(3)根据(1)或(2)所记载的表面包覆切削工具，其特征在于，所述ti成分的组成相对高的带状区域的平均宽度w为30～500nm。

(4)根据(1)至(3)中任一个所记载的表面包覆切削工具，其特征在于，所述ti成分的组成相对高的带状区域在所述ti与al的复合氮化物层的纵截面中所占的平均面积比例st为3～50面积％。

(5)根据(1)至(4)中任一个所记载的表面包覆切削工具，其特征在于，所述ti与al的复合氮化物层由立方晶结构的晶粒与六方晶结构的晶粒的混合组织构成，所述ti与al的复合氮化物层的纵截面中所占的立方晶结构的晶粒的平均面积比例s为30面积％以上。

接下来，对本发明的包覆工具详细地进行说明。

tialn层的平均层厚：

硬质包覆层至少包含tialn层，但在该tialn层的平均层厚小于0.5μm的情况下，无法充分得到通过tialn层而赋予的耐磨性提高效果，另一方面，若平均层厚超过10.0μm，则tialn层中的应变变大而容易自我破坏，因此将tialn层的平均层厚设为0.5～10.0μm。

tialn层的平均组成：

在将tialn层以组成式：(tixal1-x)n表示的情况下，需要具有满足0.10≤x≤0.35(其中，x为原子比)的平均组成。

在表示ti成分的平均组成的x小于0.10的情况下，容易形成六方晶结构的tialn晶粒，且tialn层的硬度降低，从而无法得到充分的耐磨性。

另一方面，在表示ti成分的平均组成的x超出0.35的情况下，al成分的组成比例减少，因此tialn层的高温硬度及高温抗氧化性降低。

因此，将ti成分的平均组成x设为0.10≤x≤0.35。

另外，排除由于工具基体表面的污染的影响等而不可避免地检测出的碳或氧等元素而对ti、al、n的含有比例原子比进行定量，若n相对于ti、al及n的含有比例原子比的总计的含有比例为0.45以上且0.65以下的范围，则在本发明的tialn层中得到等同的效果，因此没有特别问题。

tialn层中的立方晶结构的晶粒的平均面积比例s：

在本发明的tialn层中，将al成分的平均组成比例较高地设为0.65～0.90(其为原子比)，因此tialn层由立方晶结构的晶粒及六方晶结构的晶粒的混合组织构成，而tialn层的纵截面中所占的立方晶结构的晶粒的平均面积比例s(面积％)优选设为30面积％以上。

其理由为，在立方晶结构的晶粒的平均面积比例s小于30面积％的情况下，六方晶结构的晶粒的面积比例相对增加，因此tialn层的硬度降低，其结果，耐磨性降低。

另外，关于立方晶结构的晶粒的平均面积比例s，例如能够通过使用场发射式扫描电子显微镜及电子背散射衍射装置测定与tialn层的工具基体表面垂直的方向的截面来求出。

高ti带状区域：

如图1的概略示意图所示，在本发明的tialn层中，相较于ti成分的平均组成x，ti成分的平均组成x相对高的高ti带状区域至少以与工具基体表面的法线所成的角度成为30度以下的方向的方式形成。

将形成高ti带状区域的方向设为与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向，因此所述专利文献2所记载的包覆工具中容易发生的层厚方向的各向异性不存在，因此不会产生tialn层的剥离，而且，由于高ti带状区域的存在而韧性提高，因此即使在切削加工时作用有冲击性的、断续的负荷，也会抑制tialn层发生崩刀、发生缺损。

关于所述高ti带状区域，在将该带状区域的ti成分的平均组成设为x的情况下，所述tialn层中的ti成分的平均组成x与所述x优选满足(x+0.01)≤x≤(x+0.05)的关系(另外，x、x均为原子比)。

其理由为，若所述x为x＜(x+0.01)，则不能说tialn层中形成了有效的高ti带状区域，因此，无法期待韧性提高效果、冲击的吸收、缓和效果，另一方面，在(x+0.05)＜x的情况下，tialn层中的高ti带状区域被形成为局部性的低硬度区域，且因发生不均匀磨损等而耐磨性降低。

如图1的示意图所示，在将所述高ti带状区域的平均宽度设为w(nm)的情况下，w优选为30～500nm。

其理由为，在所述w小于30nm的情况下，不仅很难确认高ti带状区域的存在，而且tialn层整体上成为大致均质的组成，因此无法期待韧性提高效果、冲击的吸收、缓和效果，另一方面，若所述w超过500nm，则tialn层中形成局部性的低硬度区域，从而因发生不均匀磨损等而耐磨性降低。

另外，高ti带状区域的宽度是指，如后面所记载，例如在通过使用了透射型电子显微镜(tem)的能量分散型x射线分析法(eds)(以下，称为“tem-eds”。)测定tialn层的纵截面的ti成分的组成的情况下，ti成分的平均组成x满足所述(x+0.01)≤x≤(x+0.05)的关系的ti带状区域的宽度。

高ti带状区域的平均面积比例st：

对于所述tialn层的纵截面，例如在通过tem-eds来特定所述高ti带状区域的宽度(轮廓)，并测定该高ti带状区域的平均面积比例st(面积％)的情况下，所测定的所述tialn层的纵截面中所占的所述st(面积％)优选为3～50面积％。

其理由为，在st小于3面积％的情况下，因形成高ti带状区域而引起的韧性提高效果、冲击的吸收、缓和效果少，因此耐崩刀性的改善程度低，另一方面，在st超过50面积％的情况下，高ti带状区域被形成为低硬度区域，其结果，因发生不均匀磨损等而耐磨性降低。

高ti带状区域的特定：

如图1的示意图所示，在观察到至少500nm左右的带状的宽度的视场下测定的基于tem-eds的测定图像中，通过与基体表面的法线所成的角为30度以下的直线上的多个测定点中的ti成分的组成是否在(x+0.01)以上且(x+0.05)以下的范围内(另外，x为已叙述的整个tialn层中的ti成分的平均组成)来判定该直线是否为属于高ti带状区域的直线。接着，在所述直线属于高ti带状区域的情况下，沿与该直线正交的方向测定ti成分的组成，且将所测定的ti成分的组成不满足(x+0.01)≤x≤(x+0.05)的关系的位置，特定为高ti带状区域的边界。

接着，在上述中特定的高ti带状区域的多个位置测定ti成分的组成，并对它们取平均，由此能够求出高ti带状区域中的ti成分的平均组成x。

并且，确定上述中特定的高ti带状区域的轮廓，且测定多个位置中的宽度，并对它们取平均，由此能够求出高ti带状区域的平均宽度w。

晶体结构及面积比例的测定：

本发明的tialn层由立方晶结构的晶粒及六方晶结构的晶粒的混合组织构成，晶体结构及面积比例例如通过使用场发射式扫描电子显微镜及电子背散射衍射装置来测定与tialn层的工具基体表面垂直的方向的截面来能够求出。

更具体而言，在将tialn层的与工具基体表面垂直的方向的截面作为研磨面的状态下，设置于场发射式扫描电子显微镜的镜筒内，对所述研磨面，以70度的入射角度，将加速电压为15kv的电子束以1na的照射电流照射于所述截面研磨面的测定范围内存在的各晶粒上，对于沿与工具基体水平的方向的长度100μm且沿与工具基体表面垂直的方向的截面为层厚以下的距离的测定范围内，以0.01μm/step的间隔测定电子背散射衍射图像，并分析各晶粒的晶体结构，由此能够测定立方晶结构的晶粒的面积比例。

在5处的测定范围进行上述测定，作为它们的平均值而计算立方晶结构的晶粒的平均面积比例s。另外，关于设为0.01μm/step的间隔的测定点，更详细而言，以填充测定范围内的方式配置一个边为0.01μm的正三角形，且将该各正三角形的顶点作为测定点，一个测定点上的测定结果代表该一个正三角形的面积的测定结果。因此，如上所示，由测定点数的比例求出面积比例。

tialn层的成膜方法：

具备上述特征的本发明的tialn层例如能够通过以下方法进行成膜。

图2的(a)及(b)中示出用于对本发明的tialn层进行成膜的电弧离子镀(以下，称为“aip”)装置的概略图。

在图2的(a)及(b)所示的aip装置内，配置规定组成的ti-al合金靶，并且将由wc基硬质合金、ticn基金属陶瓷及立方晶氮化硼烧结体中的任一个构成的工具基体载置于aip装置的旋转台上，且通过控制对工具基体的轰击前处理及工具基体的温度(成膜温度)、成膜时的偏压来使其发生电弧放电，由此能够对本发明的tialn层进行成膜。

尤其，从基于高偏压的处理逐渐变化为低偏压的处理，由此使其自动形成ti成分的组成分布，进一步地，通过控制工具基体的温度(成膜温度)与偏压来控制沿着平行于与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向的晶体取向的原子的层叠关系，由此能够形成本发明中所规定的高ti带状区域。

关于本发明的包覆工具，在构成硬质包覆层的tialn层中，相较于tialn层的ti成分的平均组成x，ti成分的组成相对高的高ti带状区域沿与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向存在，由此沿硬质包覆层的层厚方向连续存在特性、尤其是韧性丰富的高ti带状区域，由此作为硬质包覆层整体的特性的各向异性被消除而耐剥离性提高，并且进一步地，具有韧性的高ti带状区域吸收、缓和切削加工时的冲击性的、断续的负荷，由此硬质包覆层中的龟裂的产生、扩散得到抑制，进一步地，通过抑制因它们而引起的崩刀的产生，即使是提供到伴有高热发生且对切削刃作用有冲击性的、断续的高负荷的断续切削加工条件的情况下，也能够兼顾优异的耐崩刀性与耐磨性。

附图说明

图1表示本发明包覆工具的tialn层的纵截面示意图。

图2表示对本发明包覆工具的tialn层进行成膜时所使用的电弧离子镀(aip)装置，(a)为概略俯视图，(b)为概略主视图。

具体实施方式

接下来，通过实施例对本发明的包覆工具具体地进行说明。

另外，作为具体的说明，对将wc基硬质合金作为工具基体的包覆工具进行说明，但对于以ticn基金属陶瓷或立方晶氮化硼烧结体为工具基体的包覆工具也同样。

实施例

工具基体的制作：

作为原料粉末，准备均具有0.5～5μm的平均粒径的co粉末、tac粉末、nbc粉末、tic粉末、cr3c2粉末、wc粉末，将这些原料粉末配合到表1所示的配合组成中，进一步，添加石蜡并通过球磨机进行72小时的湿式混合，在进行减压干燥之后，以100mpa的压力冲压成型，且烧结它们的压粉成型体，并以成为规定尺寸的方式进行加工，从而制造了具有iso标准seen1203afen的刀片形状的wc基硬质合金工具基体1～2。

[表1]

在丙酮中对上述工具基体1～2分别进行超声波清洗，在干燥的状态下，在从图2所示的aip装置的旋转台上的中心轴沿半径方向隔开规定距离的位置，沿外周部进行安装，且在aip装置内配置规定组成的ti-al合金靶(阴极电极)，

首先，一边对装置内进行排气来保持真空，一边通过加热器将工具基体加热到表2所示的温度之后，对在所述旋转台上自转的同时旋转的工具基体施加表2所示的直流偏压，且对ti-al合金靶(阴极电极)导通表2所示的电弧电流来使其发生电弧放电，从而对工具基体表面进行轰击清洗，

接着，在装置内作为反应气体而导入氮气来使其达到表2所示的氮气压力，并且将在所述旋转台上自转的同时旋转的工具基体的温度维持在表2所示的温度范围内，对ti-al合金靶(阴极电极)导通表2所示的电弧电流来使其发生电弧放电，对工具基体施加表2所示的规定时间的表2所示的直流低偏压，接着，按照表2所示的上升速度，将横轴作为时间且将纵轴作为偏压(-v)的曲线图上显示时成为直线状或阶梯状的方式使偏压依次上升，接着，施加表2所示的直流高偏压来对tialn层进行成膜，由此分别制造了具有表4所示的目标平均层厚、ti成分的平均组成x、立方晶结构的晶粒的平均面积比例s、规定的高ti带状区域(ti成分的平均组成x、平均宽度w、平均面积比例st)的本发明包覆工具1～10(以下，称为本发明工具1～10)。

以进行比较为目的，使用图2所示的aip装置，在表3所示的轰击条件、同样地在表3所示的成膜条件下形成tialn层，由此分别制造了表5所示的比较例包覆工具1～10(以下，称为比较例工具1～10)。

对于上述中所制作的本发明工具1～10及比较例工具1～10的tialn层，使用扫描电子显微镜测定截面，并根据5处的测定值的平均值，计算了平均层厚。

并且，对于tialn层中的ti成分的组成，通过tem-eds，沿膜厚方向0.4μm以上且沿与基体表面平行的方向1μm以上的视场范围下测定3处，并将其测定值的平均值作为tialn层的ti成分的平均组成x而求出。

将各值示于表4、表5。

并且，对于本发明工具1～10及比较例工具1～10的tialn层，通过tem-eds，确认tialn层中是否存在高ti带状区域，并且在存在高ti带状区域的情况下，求出了该区域中的ti成分的平均组成x、该区域的平均宽度w、该区域在tialn层的纵截面中所占的平均面积比例st。

具体而言，对于如图1所示的tialn层的纵截面，在观察到至少500nm左右的带状的宽度的视场下测定的基于tem-eds的测定图像中，测定与基体表面的法线所成的角为30度以下的直线上的多个测定点中的ti成分的组成，并通过该测定值是否在(x+0.01)以上且(x+0.05)以下的范围内来判定该直线是否为属于高ti带状区域的直线。

接着，在判定为所述直线为属于高ti带状区域的直线的情况下，沿与该直线正交的方向测定ti成分的组成，并将所测定的ti成分的组成不满足(x+0.01)≤x≤(x+0.05)的关系的位置特定为高ti带状区域的边界。

接着，在上述中特定的高ti带状区域的多个位置测定ti成分的组成，并对它们取平均，由此求出高ti带状区域中的ti成分的平均组成x。

接着，确定在上述中特定的高ti带状区域的轮廓，且测定多个位置中的宽度，并对它们取平均，由此求出高ti带状区域的平均宽度w。

而且，由上述中求出的高ti带状区域的轮廓，求出测定视场的面积中所存在的高ti带状区域的总面积，由此计算tialn层的纵截面中所占的高ti带状区域的平均面积比例st。

将各值示于表4、表5。

并且，对于本发明工具1～10及比较例工具1～10的tialn层，使用场发射式扫描电子显微镜及电子背散射衍射装置，求出了tialn层整体中所占的立方晶结构的晶粒的平均面积比例s。

具体而言，在将与工具基体表面垂直的方向的tialn层的截面设为研磨面的状态下，设置于场发射式扫描电子显微镜的镜筒内，对所述研磨面，以70度的入射角度，将加速电压为15kv的电子束以1na的照射电流照射于在所述截面研磨面的测定范围内存在的各晶粒上，对于沿与工具基体水平的方向的长度100μm、沿与工具基体表面垂直的方向的截面为层厚以下的距离的测定范围内，以0.01μm/step的间隔测定电子背散射衍射图像，并分析各晶粒的晶体结构，由此测定了立方晶结构的晶粒的面积比例。

在5处测定范围进行上述测定，作为它们的平均值而计算了tialn层整体中所占的立方晶结构的晶粒的平均面积比例s。

将其值示于表4、表5。

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

接着，对于本发明工具1～10及比较例工具1～10，在以下的条件下实施作为高速断续切削的一种的干式高速正面铣削、中心切割式切削加工试验，并测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

切削试验：干式高速正面铣削、中心切割式切削加工，

刀具直径：125mm，

被切削材料：jis·scm445宽度100mm、长度365mm的块状材料，

切削速度：360m/分钟，

切深量：2.0mm，

单刀进给量：0.2mm/刃，

切削时间：8分钟，

将试验结果示于表6。

[表6]

(注释)比较例工具的“※”表示因崩刀的发生而达到使用寿命的工具的切削时间(分钟)

由表6所示的结果可知，本发明的包覆工具作为硬质包覆层包含tialn层，在该tialn层中，高ti带状区域沿与工具基体表面的法线所成的角度为30度以下的方向存在，由此韧性提高，且层中的层厚方向的各向异性不存在，因此在伴有高热发生且对切削刃作用有冲击性的、断续的高负荷的合金钢的断续切削加工中，发挥优异的耐崩刀性与耐磨性。

相对于此，确认到tialn层中没有形成高ti带状区域的比较例的包覆工具因崩刀的发生而在比较短时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

本发明的包覆工具在使用于合金钢等的断续切削加工时，发挥优异的耐崩刀性，并且长期使用中发挥优异的耐磨性，因此能够充分满足地对应切削加工装置的fa化及切削加工的节省劳力化及节能化、进一步的低成本化。