CN111511490A

CN111511490A - 包覆切削工具

Info

Publication number: CN111511490A
Application number: CN201880059960.1A
Authority: CN
Inventors: 伊坂正和
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: KR102200169B1; EP3715026A1; WO2019098363A1; KR20200033352A; JPWO2019098363A1; EP3715026A4; US20200376567A1; EP3715026B1; US11052464B2; JP6705565B2; CN111511490B

Abstract

本发明的包覆切削工具具有包括c层的硬质被膜，所述c层为c1层和c2层分别以50nm以下的膜厚交替层叠的层叠被膜，所述c1层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次铬(Cr)的含有比率多，并且至少含有硅(Si)的氮化物或碳氮化物；所述c2为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次钛(Ti)含有得多的氮化物或碳氮化物。由c层中的AlN的hcp(010)面引起的峰强度Ih与由其他规定结晶相引起的峰强度的合计Is满足Ih×100/Is≤15的关系。

Description

包覆切削工具

技术领域

本发明涉及包覆切削工具。

本申请基于2017年11月20日在日本申请的专利申请2017-223099号主张优先权，并将其内容援用于此。

背景技术

以往，作为提高切削工具的寿命的技术，采用了将由各种陶瓷构成的硬质被膜包覆在切削工具的表面的表面处理技术。硬质被膜之中，由于Ti和Si的复合氮化物被膜(以下，有时记载为TiSiN)硬度高，并具有优异的耐磨性，因此形成了TiSiN的切削工具在高硬度钢等的切削加工中发挥优异的耐久性。

例如，在专利文献1中，提出了包覆了Si₃N₄和Si作为独立的相存在于化合物相中的TiSiN的包覆切削工具。另外，在专利文献2中，提出了包覆了在微观组织中混合存在有微细晶体和非晶质部的TiSiN的包覆切削工具。

另一方面，还提出了通过优化在基材与TiSiN之间设置的被膜结构，从而改善包覆切削工具的耐久性的提案。例如，在专利文献3、4中，公开了在基材与TiSiN之间设置了以纳米级的膜厚交替层叠的层叠被膜的包覆切削工具。

专利文献1：日本专利特开2000-334606号公报

专利文献2：日本专利特开2008-80447号公报

专利文献3：日本专利特开2006-299399号公报

专利文献4：日本专利特开2006-152321号公报

根据本发明人的研究，对于以往提出的在层叠被膜的上层设置了高硬度的硬质被膜的包覆切削工具，确认了例如在HRC50以上的高硬度钢的高能效加工等的工具的负荷大的严酷的使用环境下，工具损伤可能会变大，耐久性有改善的余地。

发明内容

本发明的一个方案为包覆切削工具，

具备基材和在所述基材上形成的硬质被膜，

所述硬质被膜具有：

b层，由被配置在所述基材之上的、氮化物或碳氮化物构成；

c层，被配置在所述b层之上，且为c1层和c2层分别以50nm以下的膜厚交替层叠的层叠被膜，所述c1层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次铬(Cr)的含有比率多，并且至少含有硅(Si)的氮化物或碳氮化物；所述c2层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次钛(Ti)含有得多的氮化物或碳氮化物；以及

d层，被配置在所述c层之上，且硬度比所述c层更高，

关于所述c层，在从透射型电子显微镜的限制视场衍射图案求出的强度分布中，将由密排六方结构的AlN的(010)面引起的峰强度设为Ih，将由面心立方晶格结构的、AlN的(111)面、TiN的(111)面、CrN的(111)面、AlN的(200)面、TiN的(200)面、CrN的(200)面、AlN的(220)面、TiN的(220)面以及CrN的(220)面引起的峰强度与由密排六方结构的、AlN的(010)面、AlN的(011)面以及AlN的(110)面引起的峰强度的合计设为Is时，满足Ih×100/Is≤15的关系。

另外，优选地，所述c1层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，含有20原子％以上的铬(Cr)，且含有1原子％以上的硅(Si)的氮化物或碳氮化物，所述c2层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，且含有20原子％以上的钛(Ti)的氮化物或碳氮化物。

另外，优选地，所述c层满足Ih×100/Is＝0的关系。

另外，优选地，相对于所述硬质被膜的总膜厚，所述c层是最厚的膜。

另外，优选地，所述c层由柱状粒子构成，所述柱状粒子的平均宽度为90nm以下。

另外，优选地，所述d层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有70原子％以上的钛(Ti)，且含有5原子％以上的硅(Si)的氮化物或碳氮化物。

另外，所述c2层可以含有选自元素周期表的IVB族、VB族、VIB族的元素以及Si、B、Y中的一种或两种以上的元素。

另外，可以在所述基材与所述b层之间具有a层，所述a层的纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构，且膜厚为1nm以上且10nm以下。

根据本发明，能够提供耐久性优异的包覆切削工具。

附图说明

图1是表示实施方式的包覆切削工具的剖面结构的图。

图2是本实施例1的层叠被膜中的剖面TEM像(×300000倍)的一例。

图3是本实施例1的层叠被膜中的剖面暗视场STEM像(×1800000倍)的一例。

图4是本实施例1的层叠被膜中的限制视场衍射图案的一例。

图5是从图4的限制视场衍射图案求出的强度分布的一例。

图6是比较例1的层叠被膜中的限制视场衍射图案的一例。

图7是从图6的限制视场衍射图案求出的强度分布的一例。

具体实施方式

对于在层叠被膜的上层设置了TiSiN这样的高硬度的硬质被膜的包覆切削工具，本发明人研究了改善工具寿命的手法。本发明人发现对于富Al的AlCrN系的氮化物或碳氮化物与富Al的AlTiN系的氮化物或碳氮化物以纳米级交替层叠的层叠被膜，通过降低微观组织中含有的hcp结构的AlN，从而在高硬度钢的切削加工中示出优异的耐久性，得到了本发明。下面，对本实施方式的详细内容进行说明。

本实施方式的包覆切削工具例如具有图1所示的剖面结构。本实施方式的包覆切削工具具有基材和在基材上形成的硬质被膜。硬质被膜从基材侧依次具有根据需要设置的a层、由氮化物或碳氮化物构成的b层、由层叠被膜构成的c层、和由硬度比其他层更高的硬质被膜构成的d层。下面，对各层进行详细说明。

《基材》

在本实施方式的包覆切削工具中，基材没有特别限定，优选地，以强度和韧性优异的WC-Co基硬质合金为基材。

《b层》

本实施方式所涉及的b层是被配置在基材之上的氮化物或碳氮化物。b层是提高基材与作为层叠被膜的c层的密合性的基底层。通过被配置在基材之上的b层是氮化物或碳氮化物，从而成为基材与硬质被膜的密合性优异的包覆切削工具。优选地，b层相对于金属(包括半金属。以下，同样)元素的总量含有55原子％以上的Al。更优选地，b层的Al为60原子％以上。通过将b层设为富Al，从而与后述的由富Al的层叠被膜构成的c层的组成差变小，且密合性提高。另外，通过将b层设为富Al，从而硬质被膜整体的耐热性提高。更优选地，b层为耐热性和耐磨性优异的氮化物。但是，如果b层的Al的含有比率过大时，则脆弱的hcp结构的AlN变多。因此，优选地，b层的Al为75原子％以下。另外，为了进一步提高与作为层叠被膜的c层的密合性，优选地，b层含有后述的c1层或c2层所含有的金属元素。另外，优选地，b层在从X射线衍射或透射型电子显微镜的限制视场衍射图案求出的强度分布中，由fcc结构引起的峰强度示出最大。由此，在作为设置在b层之上的富Al的层叠被膜的c层中，降低了c层的微观结构中含有的hcp结构的AlN。通过降低脆弱的hcp结构的AlN，包覆切削工具的耐久性提高。如果b层是氮化物或碳氮化物，则可以由组成不同的多个层构成。

b层的膜厚变得过薄时，则与基材或c层的密合性易于降低。另一方面，b层的膜厚变得过厚时，则容易产生崩刀。为了包覆切削工具实现更优异的耐久性，b层的膜厚优选为0.1μm以上且5.0μm以下。更优选地，b层的膜厚为0.2μm以上。更优选地，b层的膜厚为3.0μm以下。b层的膜厚的上限值和下限值可以适当组合。

《c层》

本实施方式所涉及的c层是设置在上述的作为基底层的b层与后述的高硬度的d层之间的富Al的层叠被膜。

具体而言，c层是c 1层和c2层分别以50nm以下的膜厚交替层叠的层叠被膜，所述c1层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次铬(Cr)的含有比率多，并且至少含有硅(Si)的氮化物或碳氮化物；所述c2层为相对于金属(包括半金属)元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，其次钛(Ti)含有得多的氮化物或碳氮化物。

更优选地，c层是c 1层和c2层分别以50nm以下的膜厚交替层叠的层叠被膜，所述c1层为相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，含有20原子％以上的铬(Cr)，且含有1原子％以上的硅(Si)的氮化物或碳氮化物；所述c2层为相对于金属部分的总量含有55原子％以上的铝(Al)，且含有20原子％以上的钛(Ti)的氮化物或碳氮化物。

通过组成系互不相同的富Al的AlCrN系的硬质被膜和富Al的AlTiN系的硬质被膜以纳米级交替层叠，从而易于抑制被膜破坏的进展。另外，c层中难以含有hcp结构的AlN，提高了硬质被膜整体的耐热性，并提高了包覆切削工具的耐久性。

优选地，c层的平均组成中，Al的含有比率为55原子％以上且75原子％以下。更优选地，c层的平均组成中，Al的含有比率为60原子％以上且70原子％以下。另外，优选地，c层的平均组成中，Cr与Ti的合计的含有率为20原子％以上且40原子％以下。另外，优选地，c层的平均组成中，Si的含有比率为0.5原子％以上且5原子％以下。更优选地，c层的平均组成中，Si的含有比率为1原子％以上且3原子％以下。此外，c层的平均组成可以通过测定500nm×500nm以上的范围来计算即可。

进而，c层需要微观组织中所含有的hcp结构的AlN少。本发明人发现，即使在c层的评价中X射线衍射中没有确认到hcp结构的AlN的峰强度，微观组织中也可能含有脆弱的hcp结构的AlN。并且，本发明人确认，通过降低c层的微观组中包含的脆弱的hcp结构的AlN，包覆切削工具的耐久性提高。

为了定量地求出在硬质被膜中存在于微观组织中的hcp结构的AlN的量，对于硬质被膜的加工剖面，使用透射型电子显微镜求出限制视场衍射图案，使用从限制视场衍射图案求出的强度分布。具体而言，在透射型电子显微镜的限制视场衍射图案的强度分布中，评价Ih×100/Is的关系。Ih和Is定义如下。

Ih：由hcp结构的AlN的(010)面引起的峰强度。

Is：由fcc结构的、AlN的(111)面、TiN的(111)面、CrN的(111)面、AlN的(200)面、TiN的(200)面、CrN的(200)面、AlN的(220)面、TiN的(220)面以及CrN的(220)面引起的峰强度与由hcp结构的、AlN的(010)面、AlN的(011)面以及AlN的(110)面引起的峰强度的合计。

通过评价上述Ih与Is的关系，从而在通过X射线衍射未确认到由hcp结构的AlN引起的峰强度的硬质被膜中，能够定量地评价微观组织中包含的hcp结构的AlN。Ih×100/Is的值越小意味着存在于c层的微观组织中的脆弱的hcp结构的AlN越少。本发明人确认了c层中的Ih×100/Is的值大于15时，在严酷的使用环境下，包覆切削工具的耐久性易于降低。在本实施方式中，通过c层设为满足Ih×100/Is≤15的结构，从而实现了具有良好的耐久性的包覆切削工具。更优选地，本实施方式的包覆切削工具为c层满足Ih×100/Is≤10的结构。进一步优选地，本实施方式的包覆切削工具为c层满足Ih×100/Is≤5的结构。

进而，本实施方式的包覆切削工具优选为c层中未确认到由hcp结构的AlN的(010)面引起的峰强度的结构。即，优选地，本实施方式的包覆切削工具为c层满足Ih×100/Is＝0的结构。此外，即使在限制视场衍射图案中确认有hcp结构的AlN的衍射图案，如果其量是微量，则也可能在强度分布中不出现峰而Ih×100/Is的值为0。在c层的限制视场衍射图案中，为了进一步提高包覆切削工具的耐久性，因此优选未确认到hcp结构的AlN。

c层的微观组织由微细的柱状粒子构成。构成c层的柱状粒子沿着层叠被膜的膜厚方向(层叠方向)延伸。通过c层由微粒的柱状粒子构成，从而硬质被膜的硬度和韧性有提高的倾向。为了一并提高硬质被膜的硬度和韧性，c层的柱状粒子的平均宽度优选为90nm以下。但是，柱状粒子的宽度变得过小时，硬质被膜的韧性下降。因此，c层的柱状粒子的平均宽度优选为30nm以上。柱状粒子的宽度可以通过使用透射型电子显微镜的剖面观察图像来确认。柱状粒子的平均宽度作为通过剖面观察像确认的10个以上柱状粒子的宽度的平均值来计算。

《c1层》

c1层是相对于金属(包括半金属)元素的总量，含有55原子％以上的铝(Al)，其次铬(Cr)的含有比率多，进而至少含有硅(Si)的氮化物或碳氮化物。更优选地，c1层是相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝(Al)，含有20原子％以上的铬(Cr)，且含有1原子％的以上硅(Si)的氮化物或碳氮化物。

以Al和Cr为基础的氮化物或碳氮化物是耐热性优异的膜种。特别是当Al的含有比率变大时，硬质被膜的耐热性有提高的倾向，包覆切削工具的耐久性提高。更优选地，c1层是耐热性和耐磨性优异的氮化物。为了对硬质被膜赋予高耐热性，c1层以55原子％以上含有Al。更优选地，c1层的Al含有比率为60原子％以上。但是，Al的含有比率变得过大时，则由于微观组织中含有的脆弱hcp结构的AlN变多，因此硬质被膜的耐久性降低。因此，c1层的Al含有比率优选为75原子％以下，更优选为70原子％以下。

关于以Al和Cr为基础的氮化物或碳氮化物，Cr的含有比率变得过小时，则耐磨性降低。为了对硬质被膜赋予高耐磨性，c1层优选以20原子％以上含有Cr。为了使c1层设为AlCr系的氮化物或碳氮化物，Al含有最多，其次Cr含有得多。但是，在c1层中Cr的含有比率变得过大时，则相对地Al的含有比率降低，因此耐热性降低。因此，c1层的Cr含有比率优选为40原子％以下，更优选为35原子％以下。

为了进一步提高层叠被膜的耐热性和耐磨性，优选地，c1层中Al和Cr的含有比率的合计为85原子％以上。

通过Al和Cr的氮化物或碳氮化物含有Si元素，从而被膜组织变得微细，耐磨性和耐热性进一步提高。因此，通过c1层含有Si，从而层叠被膜的整体的耐磨性和耐热性提高。另外，由于构成c层的层叠被膜的硬度提高，因此与设置在层叠被膜之上的高硬度的d层的硬度差变小，且密合性提高。为了起到这些效果，优选地，c1层以1原子％以上含有Si。但是，Si的含有比率变得过大时，则由于微观组织中包含的hcp结构的AlN和非晶相增加，因此耐久性降低。因此，c1层的Si含有比率优选为5原子％以下，更优选为3原子％以下。

由于c1层和c2层以纳米级交替层叠，因此包覆时相互的组成混合在一起。另外，相互的组成也会扩散。因此，c1层中可以含有c2层中所必需包含的Ti。但是，为了使组成系不同的富Al的AlCrN系的硬质被膜和富Al的AlTiN系的硬质被膜层叠，c1层的Ti的含有比率比c2层的Ti的含有比率少。

c1层可以含有Al、Cr和Si以外的金属元素。c1层例如以提高硬质被膜的耐磨性、耐热性、润滑性等为目的，可以含有选自元素周期表的IVB族、VB族、VIB族的元素以及B、Y中的一种或两种以上的元素。这些元素是通常添加到AlTiN系和AlCrN系的硬质被膜中的元素，以改善硬质被膜的特性，如果含有比率不过多，就不会显著降低包覆切削工具的耐久性。

但是，如果c1层含有大量的除Al、Cr和Si以外的金属元素，则会损害作为AlCrN系的硬质被膜的基础特性，从而包覆切削工具的耐久性降低。因此，c1层的除Al、Cr和Si以外的金属元素的合计优选为25原子％以下，更优选为20原子％以下，进一步优选为15原子％以下。

《c2层》

c2层是相对于金属(包括半金属)元素的总量，含有55原子％以上的铝(Al)，其次钛(Ti)含有得多的氮化物或碳氮化物。更优选地，c2层是相对于金属元素的总量，以55原子％以上含有铝(Al)，且以20原子％以上含有钛(Ti)的氮化物或碳氮化物。以Al和Ti为主体的氮化物或碳氮化物是耐磨性和耐热性优异的膜种。特别是Al的含有比率增大时，硬质被膜的耐热性有提高的倾向，包覆切削工具的耐久性提高。更优选为耐热性和耐磨性优异的氮化物。为了对硬质被膜赋予高耐热性，c2层以55原子％以上含有Al。更优选地，c2层的Al为60原子％以上。但是，Al的含有比率变得过大时，则hcp结构的AlN变多，因此硬质被膜的耐久性降低。因此，c2层的Al的含有比率优选为75原子％以下，更优选为70原子％以下。

以Al和Ti为基础的氮化物或碳氮化物的Ti的含有比率过小时，则耐磨性降低。因此，优选地，c2层以20原子％以上含有Ti。为了使c2层设为AlTi系的氮化物或碳氮化物，Al含有最多，其次Ti含有得多。但是，Ti的含有比率变得过大时，由于相对地Al的含有比率降低，因此耐热性降低。因此，c2层的Ti的含有比率优选为40原子％以下，更优选为35原子％以下。

为了进一步提高层叠被膜的耐热性和耐磨性，c2层中Al和Ti的含有比率的合计优选为80原子％以上。

由于c1层和c2层以纳米级交替层叠，因此包覆时相互的组成混合在一起。另外，相互的组成也可以扩散。因此，c2层中可以含有c1层中所必需包含的Cr和Si。但是，为了使组成系不同的富Al的AlCrN系的硬质被膜和富Al的AlTiN系的硬质被膜层叠，c2层的Cr的含有比率比c2层的Ti的含有比率少。此外，在c1层中含有比率小的Si也会出现不在c2层中含有的情况。

c2层可以含有除Al和Ti以外的金属元素。c2层例如以提高硬质被膜的耐磨性、耐热性、润滑性等为目的，可以含有选自元素周期表的IVB族、VB族、VIB族的元素以及Si、B、Y中的一种或两种以上的元素。这些元素是通常添加到AlTiN系和AlCrN系的硬质被膜中的元素，以改善硬质被膜的特性，如果含有比率不过多，则不会显著降低包覆切削工具的耐久性。特别是通过AlTiN系的硬质被膜含有W(钨)的元素，从而在更严酷的使用环境下耐久性有优异的倾向，因此优选。

但是，如果c2层含有大量Al和Ti以外的金属元素，则会损害作为AlTiN系的硬质被膜的基础特性，从而包覆切削工具的耐久性降低。因此，c2层优选为Al和Ti以外的金属元素的合计为25原子％以下，更优选为20原子％以下，进一步优选为15原子％以下。

为了进一步提高作为基底层的b层和作为层叠被膜的c层的密合性，优选在c层的靠近b层侧的部分中，与b层具有相同的组成系的硬质被膜是更厚的膜。具体而言，如果b层是AlTiN系的硬质被膜，则在c层的靠近b层侧的部分中，c1层优选为比c2层厚的膜。另外，如果b层是AlCrN系的硬质被膜，则在c层的靠近b层侧的部分中，c2层优选为比c1层厚的膜。通过设为这种被膜结构，从而作为基底层的b层和作为层叠被膜的c层之间的密合性趋于提高，根据工具形状和使用环境的不同，包覆切削工具的耐久性也可能进一步提高。

在本实施方式中，相对于硬质被膜的总膜厚，优选将c层设为最厚的膜。通过c层是硬质皮膜的主层，从而在高水平上兼顾密合性和耐磨性并提高包覆切削工具的耐久性。

各层的最佳膜厚根据工具的种类、工具直径及被切削材料等而不同，但c层均为最厚的膜，由此易于实现优异的耐久性。并且，将b层、c层、d层的合计的膜厚设为100％时，则c层的膜厚比优选为50％以上，更优选为60％以上，进一步优选为70％以上。但是，c层的膜厚比变得过大时，b层和d层的膜厚变小，因此密合性和耐磨性降低。因此，c层的膜厚比优选为90％以下，更优选为85％以下。

b层的膜厚比优选为5％以上。d层的膜厚比优选为10％以上。

为了提高层叠被膜的密合性，c1层和c2层各自的膜厚优选为20nm以下。另外，c1层和c2层的各自的膜厚过小时，则难以形成组成系不同的层叠被膜，因此c1层和c2层的各自的膜厚优选为2nm以上。进而，c1层和c2层的各自的膜厚优选为5nm以上。c1层和c2层的膜厚的上限值和下限值可以适当组合。

《d层》

本实施方式所涉及的d层设置在作为层叠被膜的c层的上层，是比c层硬质的高硬度层。在本实施方式中，c层的硬度没有特别限定，c层的纳米压痕硬度大致在35～40GPa的范围内。通过在c层的上层设置高硬度的d层，从而抑制作为主层的c层的磨损，包覆切削工具的耐久性进一步提高。如果d层的硬度比c层高，则可以发挥作为c层的保护被膜的一定效果。在本实施方式中，d层的被膜组成不特别限定。在本实施方式中，通过将d层的纳米压痕硬度设为40GPa以上，从而包覆切削工具的耐久性进一步提高，因此优选。在d层和c层之间可以设置d层和c层的层叠被膜。

优选地，d层是在金属元素的含有比率中Ti为70原子％以上，且以5原子％以上含有硅(Si)的氮化物或碳氮化物。d层是由TiSiN系的氮化物构成的硬质被膜，因此纳米压痕硬度更易于变为比40GPa高的硬度。更优选地，d层的纳米压痕硬度为42GPa以上。另外，对于TiSiN系的硬质被膜，硬质被膜的组织变得微细，硬质被膜变为高硬度，并且耐热性也优异，还赋予高残留压缩应力。因此，通过将TiSiN系的d层设置在层叠被膜的上层，能够在高负荷的使用环境下，显著改善包覆切削工具的耐久性。但是，Ti的含有比率变得过大时，则Si的含有比率相对地降低，被膜组织变得粗大，并且未对硬质被膜赋予充分的残留压缩应力。因此，d层的Ti的含有比率优选为95原子％以下。另外，Si的含有比率变得过大时，则硬质被膜中包含的非晶相变多，包覆切削工具的耐久性易于降低。因此，d层的Si的含有比率优选为30原子％以下。为了进一步提高硬质被膜的耐热性和耐磨性，优选将d层的Ti和Si的含有比率的合计设为90原子％以上。d层优选为耐热性和耐磨性优异的氮化物。另外，根据需要，可以在d层的上层设置硬度比d层低的其他层。

d层的膜厚变得过薄时，则硬质被膜的耐久性易于降低。另一方面，d层的膜厚变得过厚时，则硬质被膜易于发生崩刀。为了包覆切削工具实现更优异的耐久性，d层的膜厚优选为0.1μm以上且5.0μm以下。更优选地，d层的膜厚为0.2μm以上。更优选地，d层的膜厚为3.0μm以下。d层的膜厚的上限值和下限值可以适当组合。

本实施例所涉及的硬质被膜的b层、c层、d层优选为耐热性和耐磨性优异的氮化物。通过硬质被膜整体为氮化物，从而包覆切削工具的耐久性进一步提高。另外，一般而言，即使是氮化物也含有微小的氧和碳。也就是，在微观分析中，金属氮化物具有金属元素和氧或碳结合的峰强度。本实施方式所涉及的硬质被膜如果是以氮化物为主体，则一部分也可以含有碳氮化物或氧氮化物。如果是满足上述的组成和被膜结构的范围，即使在构成硬质被膜的氮化物的一部分中包含碳氮化物或氧氮化物，也不会显著地降低包覆切削工具的耐久性。此外，在将本实施方式所涉及的硬质被膜设为碳氮化物的情况下，为了进一步提高硬质被膜的耐热性和耐磨性，优选氮相比于碳的含有比率大。即使在设为碳氮化物的情况下，相对于氮的含有比率，也优选将碳的含有比率设为20原子％以下，更优选设为10原子％以下。

《a层》

在本实施方式中，根据需要，在基材和基底层b层之间可以具有纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构的a层。a层通过金属离子键合形成在基材表面。由于a层是用于金属离子键合的金属元素扩散而形成的层，因此在将WC-Co基硬质合金作为基材的情况下，金属元素的总量中W(钨)含量最多，其次含有用于金属离子键合的金属元素。通过具有这样的a层，从而基材和在其上设置的基底层的密合性有显著改善的倾向。

但是，工具直径变小时，在刀尖容易变成锐角的直角型立铣刀和圆弧头立铣刀中，刀尖可能由于金属离子键合发生熔损，刀尖的棱线容易被破坏。因此，a层优选设置在难以被金属离子键合破坏刃尖棱线、不形成锐角的刀尖的球头立铣刀上。a层的膜厚过薄时或过厚时无法得到密合性的改善效果。因此，a层的膜厚优选为1nm以上且10nm以下。

a层由于是纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构的层，因此主要由碳化物构成。如果a层是纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构的层，也可以在一部分中含有氮和氧。另外，a层也会在一部分中含有金属层。特别是使用金属Ti或以Ti为主体的合金靶的金属离子键合处理对密合性的改善效果大。因此，优选地，在a层的金属元素的含有比率中W含有最多，其次Ti含有得多。但是，a层中所含有的Ti的含有比率过多或过少时，则难以得到提高密合性的效果。优选地，a层以10原子％以上且30原子％以下含有Ti。

《制造方法》

本实施方式所涉及的硬质被膜优选使用靶的离子化率高的电弧离子镀法进行包覆。另外，也可以使用靶的离子化率高的高输出溅射法进行包覆。并且，对于富Al的层叠被膜，为了提高结晶性并降低微观组织中含有的hcp结构的AlN，优选使用靶中心附近的垂直方向上的磁通密度为10mT以上的阴极。

另外，在用于形成AlCr系的硬质被膜的阴极中，优选地，阴极电压在20V以上且35V以下的范围内成膜。阴极电压过低时，则层叠被膜的hcp结构的AlN变多，耐久性降低。另外，阴极电压变得过高时，则层叠被膜的被膜组织变得过于粗大，耐久性易于降低。在用于形成AlTi系的硬质被膜的阴极中，优选地，阴极电压在20V以上且30V以下的范围内成膜。阴极电压变得过低时，则hcp结构的AlN变多，耐久性降低。另外，阴极电压变得过高时，则层叠被膜的被膜组织变得过于粗大，耐久性易于降低。阴极电流分别优选为120A以上且200A以下。

在本实施方式的制造方法中，优选在选定将靶中心附近的垂直方向上的磁通密度和阴极电压设为上述的范围的成膜装置的基础上，将施加到基材上的负偏置电压的绝对值增大。根据该制造方法，微观组织的hcp结构的AlN的生成受到抑制，能够使Ih×100/Is的值小于15。

对基材施加的负偏置电压优选为-200V以上且小于-100V。更优选为-120V以下。偏置电压的绝对值变得过大时，则成膜难以稳定，难以调整膜厚。另外，偏置电压的绝对值变得过小时，则hcp结构的AlN变多，耐久性降低。包覆温度优选为400℃以上且600℃以下。在包覆氮化物的情况下，在炉内导入氮气进行包覆。另外，包覆时的氮气压力优选为2.0Pa以上且8.0Pa以下。在包覆碳氮化物的情况下，可以用将一部分氮气置换为甲烷气体即可。

实施例1

＜成膜装置＞

在成膜中，使用了利用电弧离子镀法的成膜装置。该成膜装置具有多个阴极(电弧蒸发源)、真空容器以及基材旋转机构。作为阴极，搭载有1座在靶的外周配备有线圈磁铁的阴极(以下，称为“C1”)；以及3座在靶的背面及外周配备有永磁铁，在靶表面具有垂直方向的磁通密度，且靶中央附近的垂直方向的磁通密度为14mT的阴极(以下，称为“C2、C3、C4”)。

C1～C4在配置有基材的区域的周围以约90°间隔配置，以C1和C4、C2和C3相对置的方式设置。

真空容器的内部由真空泵排气，气体从供给端口导入。在真空容器内设置的各基材中连接有偏置电源，能够对各基材分别独立地施加负DC(直流)偏置电压。

基材旋转机构具备行星齿轮(プラネタリー)、配置在行星齿轮上的板状夹具、以及配置在板状夹具上的管状夹具，行星齿轮以每分钟旋转3圈的速度旋转，板状夹具和管状夹具分别自公转。

在实施例1中，将以下的直角型立铣刀用于基材。

组成：WC(bal.)-Co(8质量％)-Cr(0.5质量％)-V(0.3质量％)

硬度：94.0HRA

刃径：6mm、刃数：6枚

在实施例1中，在C1中设置了金属钛靶，在C2中设置了AlTi系合金靶，在C3中设置了AlCrSi系合金靶，在C4中设置了TiSi系合金靶。

将各基材分别固定在真空容器内的管状夹具上，在成膜前实施了以下工艺。首先，将真空容器内真空排气至5×10^-2Pa以下。然后，通过设置在真空容器内的加热器，将基材加热至500℃，进行真空排气。而且，将基材的设定温度设为500℃，真空容器内的压力设为5×10^-2Pa以下。

＜Ar键合＞

然后，在真空容器内通过流量控制导入了50sccm的氩(Ar)气。此时的真空容器内的压力约为0.5Pa。接着，在切断基材和C1之间的状态下，向C1供给200A的电流并使Ti放电，同时对基材施加-200V的偏置电压，实施30分钟的Ar键合。通过该Ar键合处理，炉内的氧气进一步降低。

＜成膜工序＞

然后，将基材的设定温度设为480℃，在真空容器内导入氮气，将炉内压力设为3.2Pa。

在b层的包覆中，对于任何样品，均将对基材施加的负偏置电压设为-120V、将对C2施加的电流设为200A。另外，在d层的包覆中，对于任何样品，均将对基材施加的负偏置电压设为-40V，将对C4施加的电流设为200A。

在c层的包覆中，通过样品使施加到基材上的负偏置电压发生变化。另外，对C2投入的电力恒定，使投入到C3的电力逐渐增加，在c层的靠近b层侧的部分中，c2层(AlTiN系)包覆成比c1层(AlCrN系)厚的膜。另外，包覆时的C2的阴极电压在20V以上且30V以下，C3的阴极电压在20V以上且35V以下。

表1示出使用的靶组成。表2示出成膜条件。表3示出样品的膜厚。

[表1]

[表2]

[表3]

对于制作的包覆切削工具，在以下所示的切削条件下进行了切削试验。

此外，对于市场上广泛用于高硬度材料的切削加工的市售的整体立铣刀也进行了评价。市售品1是在基材的表面设置约2μm的Al₆₀Cr₂₅Ti₁₅N(数值为原子比率)以下，同样)在其上设置约2μm的Ti₈₀Si₂₀N，并在最表层设置约0.5μm的Al₆₀Cr₂₅Ti₁₅N的被膜结构。市售品2是在基材的表面设置约3μm的Al₅₀Ti₃₅Cr₁₅N，在其上设置约1μm的Cr₅₅Al₃₅Si₁₀N的被膜结构。

表4示出切削试验结果。切削条件的详细内容如下所示。

＜加工条件A＞

·切削方法：侧面切削

·工件：STAVAX(52HRC)

·使用工具：6刃直角型立铣刀(工具直径6mm)

·切削深度：轴向、6.0mm、径向。0.1mm

·切削速度：70m/min

·单刃进给量：0.026mm/刃

·切削液：干燥加工(吹气)

·切削距离：40m

＜加工条件B＞

·切削方法：侧面切削

·工件：STAVAX(52HRC)

·使用工具：6刃直角型立铣刀(工具直径6mm)

·切削深度：轴向、6.0mm、径向。0.3mm

·切削速度：：70m/min

·单刃进给量：0.026mm/刃

·切削液：干燥加工(吹气)

·切削距离：40m

[表4]

本实施例1～4在任何加工条件下均示出最大磨损宽度小、稳定的磨损形态，是能够继续进行切削加工的状态。对本实施例1、2进行比较时，在c2层中含有W的本实施例1有在高切削深度的加工条件下更抑制最大磨损宽度的倾向。另外，对本实施例1、3进行比较时，施加到基材的负偏置电压的绝对值大的本实施例1有在高切削深度的加工条件下更抑制最大磨损宽度的倾向。

比较例1～3是与本实施例1同样的被膜组成，在低切削深度的加工条件下，与本实施例同样显示最大磨损宽度小、稳定的磨损形态。但是，在高切削深度的加工条件下，在比较例1～3中，发生了缺口，不能继续进行切削加工。

比较例4是层叠被膜的Al的含有比率比本实施例1～4少的组成，在低切削深度的加工条件下没有发生缺口，但是最大磨损宽度比本实施例1～4大。另外，在高切削深度的加工条件下，比较例4的包覆切削工具发生了缺口，不能继续进行切削加工。

市售品1在任一加工条件下都发生了很大的缺口。另外，市售品2没有发生缺口，但无论在哪一个加工条件下，与本实施例的包覆切削工具相比，最大磨损宽度都变大。

关于本实施例1～4，为了阐明在高负荷的加工条件下耐久性优异的主要原因，进行了层叠被膜的微观分析。

另外，关于b层和d层，使用JEOL Ltd.制的电子探头微量分析器装置(型号：JXA-8500F)，通过附属的波长分散型电子探头微小分析(WDS-EPMA)进行组成分析，确认为与靶的合金组成大致相同的氮化物。另外，硬质被膜的被膜硬度用纳米压痕测试仪(Elionix公司(股份)制造的ENT-2100)测定。测量的结果确认了c层的硬度约为38GPa，d层的硬度约为45GPa，d层比c层的硬度高。

对于本实施例1～4，对物性评价用的直角型立铣刀进行加工，通过透射型电子显微镜(TEM)对加工剖面进行观察。作为一例，图2示出本实施例1的c层(层叠被膜)中的剖面TEM像(×300000倍)。从图2确认作为层叠被膜的c层由平均宽度为50～70nm的微细的柱状粒子形成。图3是本实施例1的c层的剖面暗视场STEM像(×1800000)的一例。从图3确认c层中层叠有相对明亮的部分和相对黑暗的部分。在图3中，箭头3～5的相对明亮的部分是富Al的AlTiN系的氮化物(c2层)，相对黑暗的箭头6是富Al的AlCrN系的氮化物(c1层)。

图3中的箭头(分析点)3～6以及层叠被膜的整体组成分析的结果如表5所示。c1层和c2层的组成是通过使用能量分散型X射线光谱仪(EDS)将分析区域设为

分析各层的中心部分而求出的。小数点以下的值是四舍五入求出的。

本实施例1的c层在层叠被膜整体上是富Al的，至少含有Si、Ti和Cr。在本实施例1中，c1层和c2层的组成相互混合，c1层以10原子％以下合计含有Ti和W。另外，本实施例1的c2层以10原子％以下含有Cr。

[表5]

接着，将层叠被膜的限制视场衍射图案在加速电压120kV、限制视场区域

相机长度100cm、入射电子量5.0pA/cm²(荧光板上)的条件下求出。转换求出的限制视场衍射图案的亮度来求出强度分布。分析位置设为膜厚方向上的中间部分。

图4示出本实施例1中的c层的限制视场衍射图案的一例。图6示出了在层叠被膜的包覆条件不同的比较例1中的c层的限制视场衍射图案的一例。另外，图5和图7分别示出通过转换图4和图6中的层叠被膜的限制视场衍射图案的亮度而求出的、限制视场衍射图案的强度分布的一例。在图5、图7中，横轴表示与(000)面点中心的距离(半径r)，纵轴表示各半径r的绕圆一周的累计强度(任意单位)。

在图5中，箭头1是因fcc结构的AlN的(111)面、TiN的(111)面和CrN的(111)面引起的峰。箭头2是因fcc结构的AlN的(200)面、TiN的(111)面和CrN的(200)面引起的峰。箭头3是因fcc结构的AlN的(220)面、TiN的(111)面和CrN的(220)面引起的峰。在图5中，未确认由hcp结构的AlN引起的峰强度。另一方面，图7的箭头1是因hcp结构的AlN(010)引起的峰，是hcp结构的AlN的最大强度。

如图5所示，本发明例1并未确认因hcp结构的AlN(010)引起的峰，Ih×100/Is为0。另一方面，比较例1中Ih×100/Is为19。

在本实施例1～4中，层叠被膜的Ih×100/Is均为0。另外，比较例2～4的Ih×100/Is与比较例1大致相同。关于将施加到基材的负偏置电压设为-120V的本实施例1、2、4，在限制视场衍射图案中未确认因AlN(010)引起的峰。另一方面，关于将施加到基材的负偏置电压设为-100V的本实施例3，在限制视场衍射图案中微量确认了因AlN(010)引起的峰，但是其量为微量，因此Ih×100/Is的值为0。

关于本实施例1～4以及比较例1～4，虽然在X射线衍射中未确认到由hcp结构的AlN引起的峰强度，但是在限制视场衍射图案中，由hcp结构的AlN引起的峰强度产生差异。在本实施例1～4中，由于微观组织中含有的hcp结构的AlN少，因此推定在高负荷的加工条件下，耐久性显著改善。特别地，在限制视场衍射图案中未确认到因hcp结构的AlN(010)引起的峰的实施例1、2、4中，工具的损伤状态有稳定的倾向。

实施例2

在实施例2中，对层叠被膜的膜厚度进行了评价。本实施例20、21是与实施例1的本实施例1同样的组成，调整包覆时间，仅使膜厚发生变化。

对于制作的包覆切削工具，在以下所示的切削条件下进行了切削试验。表6示出切削试验结果。切削条件的详细内容如下所示。

＜加工条件C＞

·切削方法：底面切削

·工件：STAVAX(52HRC)

·使用工具：4刃直角型立铣刀(工具直径6mm)·切削深度：轴向、6.0mm、径向。0.1mm

·切削速度：70m/min

·单刃进给量：0.04mm/刃

·切削液：干燥加工(吹气)

·切削距离：40m

[表6]

本实施例20、21均示出层叠被膜的Ih×100/Is为0、最大磨损宽度小且稳定的磨损形态。特别地，确认了本实施例21的最大磨损宽度被进一步抑制，并且通过使c层的膜厚为最厚的膜从而示出更优异的耐久性。

实施例3

在实施例3中，将以下的球头立铣刀用于基材。

组成：WC(bal.)-Co(8质量％)-Cr(0.8质量％)-Ta(0.2质量％)

硬度：93.2HRA

刃径：1.0mm

在实施例3中，在C1中设置了金属钛靶，在C2中设置了AlTi系合金靶或TiSi系合金靶，在C3中设置了AlCrSi系合金靶，在C4中设置了TiSi系合金靶。表7示出使用的靶组成。

[表7]

在Ar键合处理之前，与实施例1、2同样。然后，在真空容器内通过流量控制导入了50sccm的氩(Ar)气。此时的真空容器内的压力约为0.2Pa。将施加到基材上的负偏置电压设为-800V，进行约15分钟的Ti键合处理，从而在基材的表面设置了a层。

＜成膜工序＞

然后，将基材的设定温度设为480℃，在真空容器内导入氮气，将炉内压力设为5.0Pa。

在b层的包覆中，对于任何样品，均将对基材施加的负偏置电压设为-100V、将对C2施加的电流设为200A。另外，在d层的包覆中，对于任何样品，均将对基材施加的负偏置电压设为-50V、将对C4施加的电流设为200A。在c层的包覆中，通过样品使施加到基材上的负偏置电压发生变化。表8示出成膜条件。表9示出样品的膜厚。

[表8]

[表9]

对于制作的包覆切削工具，在以下所示的切削条件下进行了切削试验。表10示出切削试验结果。切削条件的详细内容如下所示。

＜加工条件D＞

·切削方法：底面切削

·工件：STAVAX(52HRC)

·使用工具：双刃球头立铣刀(工具直径1mm颈长6mm)·切削深度：轴向、0.04mm、径向、0.04mm·切削速度：75m/min

·单刃进给量：0.018mm/刃

·切削液：干燥加工

·切削距离：90m

[表10]

本实施例30～33示出最大磨损宽度小且稳定的磨损形态，是能够继续进行切削加工的状态。在本实施例32中，由于增大了对基材施加的负偏置电压的绝对值，因此难以调整膜厚，c层的膜厚比本实施例30、31、33薄。因此，与本实施例30、31、33相比，最大磨损宽度变大。将本实施例30、31进行比较时，在c2层中含有W的本实施例30具有最大磨损宽度进一步被抑制的倾向。

另一方面，比较例30～32示出稳定的磨损形态，但与本实施例30～33相比较最大磨损宽度变大。

对物性评价用的球头立铣刀进行加工，进行了微观分析。在基材和b层之间具有纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构，在金属元素中W含有最多、其次Ti含有得多的1～10nm的a层。a层以10原子％以上且30原子％以下含有Ti。另外，a层中，作为不可避免的杂质也含有少量的氧、氮、W以外的基材成分。

此外，关于b层和d层，确认了与实施例1、2同样是与靶的合金组成大致相同的氮化物。

与实施例1的微观分析同样，本实施例30、31、32、33的层叠被膜层叠有富Al的AlTi系的氮化物(c2层)和富Al的AlCrSi系的氮化物(c1层)，Ih×100/Is为0。即，在本实施例30～33中，hcp结构的AlN也变少。由此，推定在球头立铣刀中也发挥了优异的耐久性。另一方面，比较例30、31的层叠被膜的Ih×100/Is为20左右，由于在微观组织中脆弱的hcp结构的AlN增加，因此与本实施例相比，推定耐久性降低。另外，比较例32与本实施例在层叠被膜的组成上不同，与本实施例相比最大磨损宽度变大。

根据比较例30～32和本实施例32的比较，确认了即使将c层的膜厚设为最厚的膜，随着hcp结构的AlN增加，最大磨损宽度也变大。即使c层的膜厚不是最厚的膜，通过降低微观组织中的hcp结构的AlN，也能够抑制最大磨损宽度。确认了通过将c层的膜厚设为最厚的膜，且降低微观组织中的hcp结构的AlN，从而抑制最大磨损宽度的效果变大，发挥特别优异的耐久性。

Claims

1.一种包覆切削工具，其特征在于，具备基材和在所述基材上形成的硬质被膜，

所述硬质被膜具有：

b层，由被配置在所述基材之上的氮化物或碳氮化物构成；

c层，被配置在所述b层之上，且为c1层和c2层分别以50nm以下的膜厚交替层叠的层叠被膜，所述c1层为相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝Al，其次铬Cr的含有比率多，并且至少含有硅Si的氮化物或碳氮化物；所述c2层为相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝Al，其次钛Ti含有得多的氮化物或碳氮化物；以及

d层，被配置在所述c层之上，且硬度比所述c层更高，

关于所述c层，在从透射型电子显微镜的限制视场衍射图案求出的强度分布中，将由密排六方结构的AlN的(010)面引起的峰强度设为Ih，将由面心立方晶格结构的、AlN的(111)面、TiN的(111)面、CrN的(111)面、AlN的(200)面、TiN的(200)面、CrN的(200)面、AlN的(220)面、TiN的(220)面以及CrN的(220)面引起的峰强度与由密排六方结构的、AlN的(010)面、AlN的(011)面以及AlN的(110)面引起的峰强度的合计设为Is时，满足Ih×100/Is≤15的关系，

所述金属元素包括半金属元素。

2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其特征在于，所述c1层为相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝Al，含有20原子％以上的铬Cr，且含有1原子％以上的硅Si的氮化物或碳氮化物，

所述c2层为相对于金属元素的总量含有55原子％以上的铝Al，且含有20原子％以上的钛Ti的氮化物或碳氮化物，

所述金属元素包括半金属元素。

3.根据权利要求1或2所述的包覆切削工具，其特征在于，所述c层满足Ih×100/Is＝0的关系。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，相对于所述硬质被膜的总膜厚，所述c层是最厚的膜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，所述c层由柱状粒子构成，所述柱状粒子的平均宽度为90nm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，所述d层是相对于金属元素的总量含有70原子％以上的钛Ti，且含有5原子％以上的硅Si的氮化物或碳氮化物，

所述金属元素包括半金属元素。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，所述c2层含有选自元素周期表的IVB族、VB族、VIB族的元素以及Si、B、Y中的一种或两种以上的元素。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，在所述基材与所述b层之间具有a层，所述a层的纳米束衍射图案被指数标定为WC的晶体结构，且膜厚为1nm以上且10nm以下。