本發(fā)明涉及一種在伴隨合金鋼等的高熱產(chǎn)生且沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中，通過硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的耐崩刀性而在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的表面包覆切削工具(以下稱作包覆工具)。

背景技術(shù)：

以往，已知有如下包覆工具：通常在由碳化鎢(以下由WC表示)基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦(以下由TiCN表示)基金屬陶瓷或立方晶氮化硼(以下由cBN表示)基超高壓燒結(jié)體構(gòu)成的工具基體(以下，將這些統(tǒng)稱為工具基體)的表面，通過物理蒸鍍法包覆形成Ti-Al系復(fù)合氮化物層而作為硬質(zhì)包覆層，并且已知這些包覆工具發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

但是，所述以往的包覆形成有Ti-Al系復(fù)合氮化物層的包覆工具雖然耐磨性比較優(yōu)異，但是當(dāng)在高速斷續(xù)切削條件下使用時(shí)容易產(chǎn)生崩刀等異常損耗，因此關(guān)于改善硬質(zhì)包覆層提出了各種方案。

例如，在專利文獻(xiàn)1中公開有如下內(nèi)容：在工具基體表面形成由Cr、Ti、Al、V的氮化物中的至少兩種金屬氮化物構(gòu)成的復(fù)合硬質(zhì)被膜，且將關(guān)于該硬質(zhì)被膜通過X射線衍射求出的(111)面及(200)面的X射線衍射峰值的強(qiáng)度I(111)和I(200)的強(qiáng)度比I(111)/I(200)設(shè)為3～6的值，從而獲得耐磨性、耐燒粘性及抗氧化性優(yōu)異、磨擦系數(shù)較低且滑動(dòng)特性較高的被膜。

例如，在專利文獻(xiàn)2中記載有如下內(nèi)容：在TiCl₄、AlCl₃、NH₃的混合反應(yīng)氣體中，在650～900℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行化學(xué)蒸鍍，從而能夠蒸鍍形成Al的含有比例x的值為0.65～0.95的(Ti_1-xAl_x)N層，但該文獻(xiàn)中的目的在于通過在該(Ti_1-xAl_x)N層上進(jìn)一步包覆Al₂O₃層，從而提高隔熱效果，因此關(guān)于形成將Al的含有比例x的值提高至0.65～0.95的(Ti_1-xAl_x)N層對(duì)切削性能帶來什么樣的影響并不明確。

并且，例如在專利文獻(xiàn)3中提出如下方案：將TiCN層、Al₂O₃層作為內(nèi)層，在其上通過化學(xué)蒸鍍法包覆立方晶結(jié)構(gòu)或包含六方晶結(jié)構(gòu)的立方晶結(jié)構(gòu)的(Ti_1-xAl_x)N層(其中，以原子比計(jì)x為0.65～0.90)作為外層，并且通過對(duì)該外層施加100～1100MPa的壓縮應(yīng)力來改善包覆工具的耐熱性和疲勞強(qiáng)度。

專利文獻(xiàn)1：日本專利公開2000-144376號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本專利公表2011-516722號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本專利公表2011-513594號(hào)公報(bào)

近年來，隨著對(duì)切削加工中的節(jié)省勞力化及節(jié)能化的要求增加，切削加工有進(jìn)一步高速化、高效率化的趨勢(shì)，進(jìn)一步對(duì)包覆工具要求耐崩刀性、耐缺損性、耐剝離性等耐異常損傷性，并且要求在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

但是，所述專利文獻(xiàn)1中記載的包覆工具中，由于通過物理蒸鍍法蒸鍍形成硬質(zhì)被膜，例如很難提高硬質(zhì)被膜中的Al的含有比例，因此當(dāng)供合金鋼的高速斷續(xù)切削加工等時(shí)存在不能說耐磨性、耐崩刀性充分的問題。

另一方面，關(guān)于通過所述專利文獻(xiàn)2中記載的化學(xué)蒸鍍法蒸鍍形成的(Ti_1-xAl_x)N層，由于能夠提高Al的含有比例x，并且能夠形成立方晶結(jié)構(gòu)，因此可獲得具有規(guī)定的硬度且耐磨性優(yōu)異的硬質(zhì)包覆層，但存在與工具基體的粘附強(qiáng)度不充分且韌性差的問題。

另外，所述專利文獻(xiàn)3中記載的包覆工具具有規(guī)定的硬度且優(yōu)異的耐磨性，但韌性差，因此在供合金鋼的高速斷續(xù)切削加工等時(shí)，容易產(chǎn)生崩刀、缺損、剝離等異常損傷，存在不能說發(fā)揮令人滿意的切削性能的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

于是，本發(fā)明要解決的技術(shù)課題即本發(fā)明的目的在于提供一種即使在供合金鋼等的高速斷續(xù)切削等時(shí)，也具備優(yōu)異的韌性，且在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨性的包覆工具。

于是，本發(fā)明人等從所述觀點(diǎn)出發(fā)，為了改善通過化學(xué)蒸鍍來蒸鍍形成至少包含Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物(以下，有時(shí)由“(Ti,Al)(C,N)”或“(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)”表示)的硬質(zhì)包覆層的包覆工具的耐崩刀性、耐磨性，經(jīng)過重復(fù)進(jìn)行深入的研究，結(jié)果得出如下見解。

即，以往的至少包含一層(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層且具有規(guī)定的平均層厚的硬質(zhì)包覆層中，(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層在垂直于工具基體的方向上呈柱狀形成的情況下具有較高的耐磨性。相反，(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的各向異性越高，(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的韌性越降低，其結(jié)果，耐崩刀性、耐缺損性降低，且在長(zhǎng)期使用中無法發(fā)揮充分的耐磨性，并且不能說工具壽命也令人滿意。

于是，本發(fā)明人等對(duì)構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層進(jìn)行深入研究的結(jié)果，通過在(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒粒內(nèi)形成Ti和Al的周期性組成變化這一全新的構(gòu)思，成功地在具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，并提高硬度和韌性這兩者，其結(jié)果，得出可提高硬質(zhì)包覆層的耐崩刀性、耐缺損性的全新的見解。

具體而言，在硬質(zhì)包覆層至少包含通過化學(xué)蒸鍍法成膜的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，且由組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)表示的情況下，Al在Ti和Al的總量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的總量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均為原子比)分別滿足0.60≤Xavg≤0.95，0≤Yavg≤0.005，在復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層至少包含具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的相，且關(guān)于該層，使用電子背散射衍射裝置從該層的縱剖面方向進(jìn)行分析的情況下，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線方向所成的傾斜角，在該傾斜角中，將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)而求出傾斜角度數(shù)分布時(shí)，在0～10度范圍內(nèi)的傾斜角分區(qū)中存在最高峰值，并且在所述0～10度范圍內(nèi)存在的度數(shù)的合計(jì)示出在所述傾斜角度數(shù)分布中的所有度數(shù)的45％以上的比例，并且，關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，從該層的縱剖面方向進(jìn)行觀察的情況下，具有復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的平均粒子寬度W為0.1～2.0μm且平均縱橫尺寸比A為2～10的柱狀組織，另外，沿復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的工具基體表面的法線方向，在所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒內(nèi)存在組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)中的Ti和Al的周期性組成變化，周期性變化的x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx為0.03～0.25，因此在具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，與以往的硬質(zhì)包覆層相比，(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的硬度和韌性提高，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)耐崩刀性、耐缺損性提高，且長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

而且，如上所述結(jié)構(gòu)的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層能夠通過例如在工具基體表面使反應(yīng)氣體組成周期性變化的以下化學(xué)蒸鍍法而成膜。

對(duì)所使用的化學(xué)蒸鍍反應(yīng)裝置，將由NH₃、N₂、H₂構(gòu)成的氣體組A和由TiCl₄、Al(CH₃)₃、AlCl₃、NH₃、N₂、H₂構(gòu)成的氣體組B分別從各自的供氣管向反應(yīng)裝置內(nèi)的供給，氣體組A和氣體組B向反應(yīng)裝置內(nèi)的供給例如以一定周期的時(shí)間間隔，以氣體流過比該周期短的時(shí)間的方式進(jìn)行供給，以使在氣體組A和氣體組B的供氣中產(chǎn)生比氣體供給時(shí)間短的時(shí)間的相位差，從而能夠使工具基體表面中的反應(yīng)氣體組成隨時(shí)間變化為(甲)氣體組A；(乙)氣體組A和氣體組B的混合氣體；及(丙)氣體組B。并且，在本發(fā)明中無需導(dǎo)入用于進(jìn)行嚴(yán)格的氣體置換的長(zhǎng)時(shí)間的排氣工序。從而，作為供氣方法也可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：例如供氣按時(shí)間連續(xù)進(jìn)行供給，且使供氣口旋轉(zhuǎn)，或者使工具基體旋轉(zhuǎn)，或者使工具基體往復(fù)移動(dòng)，從而使工具基體表面中的反應(yīng)氣體組成隨時(shí)間變化為(甲)以氣體組A為主的混合氣體；(乙)氣體組A和氣體組B的混合氣體；(丙)以氣體組B為主的混合氣體。

在工具基體表面，使反應(yīng)氣體組成(相對(duì)于氣體組A及氣體組B的總和的體積％)例如在氣體組A中為NH₃：1.0～2.0％、N₂：0～5％、H₂：55～60％，在氣體組B中為AlCl₃：0.6～0.9％、TiCl₄：0.2～0.3％、Al(CH₃)₃：0～0.5％、N₂：0.0～12.0％、H₂：剩余部分，且設(shè)為反應(yīng)氣氛壓力：4.5～5.0kPa、反應(yīng)氣氛溫度：700～900℃、供給周期1～5秒、每1周期的氣體供給時(shí)間0.15～0.25秒、氣體供給A和氣體供給B的相位差0.10～0.20秒，并經(jīng)規(guī)定時(shí)間進(jìn)行熱CVD法，從而成膜規(guī)定的目標(biāo)層厚的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層。

如上所述，以在氣體組A和氣體組B到達(dá)工具基體表面的時(shí)間上產(chǎn)生差異的方式進(jìn)行供給，作為氣體組A中的氮原料氣體設(shè)定為NH₃：1.0～2.0％，N₂：0～5％，并設(shè)定為氣體組B中的金屬氯化物原料或碳原料即AlCl₃：0.6～0.9％、TiCl₄：0.2～0.3％，Al(CH₃)₃：0～0.5％，從而在晶粒內(nèi)因?qū)刖植拷M成的不規(guī)則、轉(zhuǎn)位或點(diǎn)缺陷而形成晶格的局部應(yīng)變，另外，可以使晶粒的工具基體表面一側(cè)和被膜表面一側(cè)的{111}取向的程度發(fā)生變化。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在維持耐磨性的同時(shí)韌性顯著提高。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)尤其在耐缺損性、耐崩刀性提高，且在斷續(xù)的沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的合金鋼等的高速斷續(xù)切削加工中使用的情況下，硬質(zhì)包覆層在長(zhǎng)時(shí)間使用中可發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。

本發(fā)明是根據(jù)所述見解而完成的，其具有如下特征。

(1)一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷或立方晶氮化硼基超高壓燒結(jié)體中的任一種構(gòu)成的工具基體的表面設(shè)置有硬質(zhì)包覆層，所述表面包覆切削工具的特征在于，

(a)所述硬質(zhì)包覆層至少包含通過化學(xué)蒸鍍法而成膜的平均層厚為1～20μm的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，在由組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)表示的情況下，所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的Al在Ti和Al的總量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的總量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均為原子比)分別滿足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005，

(b)所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層至少包含具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的相，

(c)并且，關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，使用電子背散射衍射裝置，從所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的縱剖面方向，對(duì)復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的晶體方位進(jìn)行分析的情況下，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線方向所成的傾斜角，在該傾斜角中將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)而求出傾斜角度數(shù)分布時(shí)，在0～10度范圍內(nèi)的傾斜角分區(qū)中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的合計(jì)示出在所述傾斜角度數(shù)分布中的所有度數(shù)的45％以上的比例，

(d)關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，從該層的縱剖面方向進(jìn)行觀察的情況下，具有復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的平均粒子寬度W為0.1～2.0μm且平均縱橫尺寸比A為2～10的柱狀組織，

(e)并且，在所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的具有所述NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒內(nèi)，沿該晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位存在組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)中的Ti和Al的周期性組成變化，周期性變化的x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx為0.03～0.25。

(2)根據(jù)(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中存在Ti和Al的周期性組成變化的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒中，沿該晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位存在Ti和Al的周期性組成變化，沿其方位的周期為3～100nm，在與該方位正交的面內(nèi)的、Al在Ti和Al的總量中所占的含有比例XO的變化為0.01以下。

(3)根據(jù)(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，由X射線衍射求出具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶格常數(shù)a，所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶格常數(shù)a相對(duì)于立方晶TiN的晶格常數(shù)a_TiN和立方晶AlN的晶格常數(shù)a_AlN滿足0.05a_TiN+0.95a_AlN≤a≤0.4a_TiN+0.6a_AlN的關(guān)系。

(4)根據(jù)(1)至(3)中任一個(gè)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的單相構(gòu)成。

(5)根據(jù)(1)至(3)中任一個(gè)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，從該層的縱剖面方向進(jìn)行觀察的情況下，在復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的、由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在具有六方晶結(jié)構(gòu)的微晶粒，存在該微晶粒的面積比例為30面積％以下，該微晶粒的平均粒徑R為0.01～0.3μm。

(6)根據(jù)(1)至(5)中任一個(gè)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述工具基體與所述Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層之間，存在由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的一層或兩層以上的Ti化合物層構(gòu)成且具有0.1～20μm的合計(jì)平均層厚的下部層。

(7)根據(jù)(1)至(6)中任一個(gè)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的上部存在上部層，該上部層至少包含具有1～25μm的平均層厚的氧化鋁層。

(8)根據(jù)(1)至(7)中任一個(gè)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層通過至少含有作為反應(yīng)氣體成分的三甲基鋁的化學(xué)蒸鍍法而成膜。

以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的平均層厚：

本發(fā)明的硬質(zhì)包覆層至少包含被化學(xué)蒸鍍的由組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)表示的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層。該復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層硬度高且具有優(yōu)異的耐磨性，而且尤其在平均層厚為1～20μm時(shí)顯著發(fā)揮其效果。其理由在于，若平均層厚小于1μm，則因?qū)雍褫^薄而在長(zhǎng)期使用中無法充分確保耐磨性，另一方面，若其平均層厚超過20μm，則Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的晶粒容易粗大化，且容易產(chǎn)生崩刀。從而將其平均層厚確定為1～20μm。

另外，所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層也可以是立方晶和六方晶的混相，但若具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒所占的面積比例低于70面積％，則硬度會(huì)降低，因此優(yōu)選具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒所占的面積比例為70面積％，另外，更優(yōu)選由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的單相構(gòu)成。

構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的組成：

本發(fā)明的構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中，Al在Ti和Al的總量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的總量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均為原子比)分別控制成滿足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005。

其理由在于，若Al的平均含有比例Xavg小于0.60，則Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的硬度差，因此在供合金鋼等的高速斷續(xù)切削時(shí)耐磨性不充分。另一方面，若Al的平均含有比例Xavg超過0.95，則相對(duì)地Ti的含有比例減少，因此將導(dǎo)致脆化且耐崩刀性降低。從而Al的平均含有比例Xavg確定為0.60≤Xavg≤0.95。

并且，在復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中所含有的C成分的平均含有比例Yavg為0≤Yavg≤0.005范圍的微量時(shí)，復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層和工具基體或下部層的粘附性提高且潤(rùn)滑性提高，從而減緩切削時(shí)的沖擊，其結(jié)果復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的耐缺損性及耐崩刀性提高。另一方面，若C成分的平均含有比例Yavg在0≤Yavg≤0.005的范圍之外，則因復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的韌性降低而耐缺損性及耐崩刀性反而降低，因此不優(yōu)選。從而C的平均含有比例Yavg確定為0≤Yavg≤0.005。

Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層((Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層)內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的晶面即{111}面的傾斜角度數(shù)分布：

關(guān)于本發(fā)明的所述(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層，若使用電子背散射衍射裝置，從縱剖面方向?qū)哂蠳aCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的晶體方位進(jìn)行分析的情況下，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線(與剖面研磨面中的工具基體表面垂直的方向)所成的傾斜角，在該傾斜角中將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)時(shí)，當(dāng)在0～10度范圍內(nèi)的傾斜角分區(qū)中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的合計(jì)示出在所述傾斜角度數(shù)分布中的所有度數(shù)的45％以上的比例的傾斜角度數(shù)分布形式時(shí)，由所述Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層在維持NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的同時(shí)具有高硬度，而且根據(jù)如上所述的傾斜角度數(shù)分布形式，硬質(zhì)包覆層和基體的粘附性顯著提高。

從而，這種包覆工具例如在不銹鋼的高速斷續(xù)切削等中使用的情況下，也可以抑制崩刀、缺損、剝離等的產(chǎn)生，而且發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的平均粒子寬度W、平均縱橫尺寸比A：

關(guān)于復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒，將與工具基體表面平行的方向的粒子寬度設(shè)為w，并且將與工具基體表面垂直的方向的粒子長(zhǎng)度設(shè)為l，將所述w與l之比l/w設(shè)為各晶粒的縱橫尺寸比a，另外，在將關(guān)于各晶粒求出的縱橫尺寸比a的平均值設(shè)為平均縱橫尺寸比A，將關(guān)于各晶粒求出的粒子寬度w的平均值設(shè)為平均粒子寬度W的情況下，在本發(fā)明中控制為平均粒子寬度W滿足0.1～2.0μm，平均縱橫尺寸比A滿足2～10。

當(dāng)滿足該條件時(shí)，構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒成為柱狀組織，其顯示出優(yōu)異的耐磨性。另一方面，若平均縱橫尺寸比A低于2，則在NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)不易形成本發(fā)明的特征即組成的周期性分布，若超出10則難以抑制龜裂的擴(kuò)展。并且，若平均粒子寬度W小于0.1μm則耐磨性降低，若超過2.0μm則韌性降低。從而構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的平均粒子寬度W確定為0.1～2.0μm。

在具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在的Ti和Al的組成變化：

另外，由組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)表示具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶體的情況下，在晶粒內(nèi)存在Ti和Al的周期性組成變化時(shí)，在晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變且硬度提高。然而，若Ti和Al的組成變化大小的指標(biāo)即所述組成式中的x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx小于0.03，則所述晶粒的應(yīng)變較小，無法期待硬度充分提高。另一方面，若x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx超過0.25，則晶粒的應(yīng)變變得過大，晶格缺陷變大，且硬度降低。于是，在具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在的Ti和Al的組成變化中，將周期性變化的x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx設(shè)為0.05～0.25。

并且，Ti和Al的周期性組成變化，優(yōu)選沿具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位存在。然而，若其周期小于3nm則韌性降低。另一方面，若超過100nm則無法期待硬度提高的效果。從而沿立方晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位存在的周期優(yōu)選為3～100nm。并且，與該方位正交的面內(nèi)的、Al在Ti和Al的總量中所占含有比例XO的變化成為0.01以下，導(dǎo)致在與{111}面構(gòu)成角度的{001}面內(nèi)的轉(zhuǎn)位的滑動(dòng)，從而韌性會(huì)提高。

構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶格常數(shù)a：

關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，在使用X射線衍射裝置將Cu-Kα射線作為射線源而實(shí)施X射線衍射試驗(yàn)，并求出NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶格常數(shù)a時(shí)，在所述晶粒的晶格常數(shù)a相對(duì)于立方晶TiN(JCPDS00-038-1420)的晶格常數(shù)a_TiN：和立方晶AlN(JCPDS00-046-1200)的晶格常數(shù)a_AlN：滿足0.05a_TiN+0.95a_AlN≤a≤0.4a_TiN+0.6a_AlN的關(guān)系時(shí)，顯示出更高的硬度，且顯示出較高的熱傳導(dǎo)性，從而具備優(yōu)異的耐磨性且優(yōu)異的耐熱沖擊性。

在由復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在的微晶粒和該微晶粒所存在的面積比例及平均粒徑R：

在由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部，存在具有六方晶結(jié)構(gòu)的微晶粒，因此晶界滑移得到抑制且韌性提高。然而，若其面積比例超過30面積％，則相對(duì)地NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶相的比例減少而硬度降低，因此不優(yōu)選。并且，若微晶粒的平均粒徑R小于0.01μm，則抑制晶界滑移的效果不充分，另一方面，若超過0.3μm，則柱狀組織內(nèi)的應(yīng)變?cè)龃笄矣捕冉档停虼瞬粌?yōu)選。

下部層及上部層：

并且，本發(fā)明的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層其本身就可以發(fā)揮充分的效果，但在設(shè)置有由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的一層或兩層以上的Ti化合物層構(gòu)成且具有0.1～20μm的合計(jì)平均層厚的下部層的情況下、及/或設(shè)置有包含具有1～25μm的平均層厚的氧化鋁層的上部層的情況下，與這些層所發(fā)揮的效果相互協(xié)同，能夠發(fā)揮進(jìn)一步優(yōu)異的特性。在設(shè)置由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的一層或兩層以上的Ti化合物層構(gòu)成的下部層時(shí)，若下部層的合計(jì)平均層厚小于0.1μm，則無法充分地發(fā)揮下部層的效果，另一方面，若超過20μm，則晶粒容易粗大化，且容易產(chǎn)生崩刀。并且，若包含氧化鋁層的上部層的合計(jì)平均層厚小于1μm，則無法充分發(fā)揮上部層的效果，另一方面，若超過25μm，則晶粒容易粗大化，且容易產(chǎn)生崩刀。

本發(fā)明在將硬質(zhì)包覆層設(shè)置于工具基體表面的表面包覆切削工具中，硬質(zhì)包覆層至少包含通過化學(xué)蒸鍍法成膜的平均層厚為1～20μm的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，并由組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)表示的情況下，Al在Ti和Al的總量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的總量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均為原子比)分別滿足0.60≤Xavg≤0.95、0≤Yavg≤0.005，在構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的晶粒中存在具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒，且使用電子背散射衍射裝置從縱剖面方向?qū)υ摼Я５木w方位進(jìn)行分析的情況下，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線方向所成的傾斜角，在該傾斜角中將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)而求出傾斜角度數(shù)分布時(shí)，在0～10度范圍內(nèi)的傾斜角分區(qū)中存在最高峰值，并且存在于所述0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的合計(jì)示出在所述傾斜角度數(shù)分布中的所有度數(shù)的45％以上的比例，并且關(guān)于復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，在從該層的縱剖面方向進(jìn)行觀察的情況下，具有復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層內(nèi)的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒的平均粒子寬度W為0.1～2.0μm且平均縱橫尺寸比A為2～10的柱狀組織，沿復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的層厚方向，在所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)中的Ti和Al的周期性組成變化，周期性變化的x的極大值的平均值與極小值的平均值之差Δx為0.03～0.25，由于本發(fā)明具有這種特有的結(jié)構(gòu)，因此在具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，從而晶粒的硬度提高，保持較高的耐磨性且韌性提高。其結(jié)果，發(fā)揮提高耐崩刀性的效果，與以往的硬質(zhì)包覆層相比，在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性，可實(shí)現(xiàn)包覆工具的長(zhǎng)壽命化。

尤其，在Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒中，在晶粒內(nèi)存在Ti和Al的周期性組成變化，因此晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變且硬度提高，并且具有柱狀組織，因此發(fā)揮較高的耐磨性，并且在柱狀組織的晶界部存在六方晶結(jié)構(gòu)的微晶粒，因此晶界滑移得到抑制且韌性提高，另外，NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒在{111}面取向，因此與耐后刀面磨損性、耐月牙洼磨損性分別提高相結(jié)合，即使在斷續(xù)的沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的合金鋼等的高速斷續(xù)切削加工中使用的情況下，本發(fā)明的包覆工具也會(huì)發(fā)揮耐崩刀性、耐缺損性和優(yōu)異的耐磨性。

附圖說明

圖1是示意地表示構(gòu)成本發(fā)明的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的剖面的膜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是示意地表示在構(gòu)成相當(dāng)于本發(fā)明的一實(shí)施方式的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物層或復(fù)合碳氮化物層的剖面中，關(guān)于存在Ti和Al的周期性組成變化的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒，沿該晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位存在Ti和Al的周期性組成變化，在與該方位正交的面內(nèi)的Ti和Al的組成變化較小的情況的示意圖。

圖3是表示在構(gòu)成相當(dāng)于本發(fā)明的一實(shí)施方式的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物層或復(fù)合碳氮化物層的剖面中，關(guān)于存在Ti和Al的周期性組成變化的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒，使用透射型電子顯微鏡并通過能量分散型X射線光譜法(EDS)進(jìn)行射線分析結(jié)果的Ti和Al的周期性組成變化x的曲線圖的一例的圖。

圖4表示在構(gòu)成本發(fā)明包覆工具的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物層或復(fù)合碳氮化物層的剖面中，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線方向所成的傾斜角，并在該傾斜角中將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)而求出的傾斜角度數(shù)分布的一例。

圖5表示在構(gòu)成比較包覆工具的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物層或復(fù)合碳氮化物層的剖面中，測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于工具基體表面的法線方向所成的傾斜角，并在該傾斜角中將相對(duì)于法線方向在0～45度范圍內(nèi)的傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)而求出的傾斜角度數(shù)分布的一例。

具體實(shí)施方式

接著，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的包覆工具進(jìn)行更具體的說明。

實(shí)施例1

作為原料粉末準(zhǔn)備均具有1～3μm的平均粒徑的WC粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末及Co粉末，將這些原料粉末配合成表1所示的配合組成，進(jìn)而添加石蠟后在丙酮中用球磨機(jī)混合24小時(shí)，在進(jìn)行減壓干燥之后，以98MPa的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的壓坯，對(duì)該壓坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持1小時(shí)的條件下進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)之后，分別制造出具有ISO標(biāo)準(zhǔn)SEEN1203AFSN的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制的工具基體A～C。

并且，作為原料粉末準(zhǔn)備均具有0.5～2μm的平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計(jì)TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo₂C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，并用球磨機(jī)進(jìn)行24小時(shí)的濕式混合，在干燥之后，以98MPa的壓力沖壓成型為壓坯，對(duì)該壓坯在1.3kPa的氮?dú)夥罩幸詼囟龋?500℃保持1小時(shí)的條件下進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)之后，制作出具有ISO標(biāo)準(zhǔn)SEEN1203AFSN的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制的工具基體D。

接著，對(duì)這些工具基體A～D的表面，使用化學(xué)蒸鍍裝置并通過如下步驟制造出本發(fā)明包覆工具1～9。

(a)表4所示的形成條件A～J，即作為由NH₃和H₂構(gòu)成的氣體組A、由TiCl₄、Al(CH₃)₃、AlCl₃、NH₃、N₂、H₂構(gòu)成的氣體組B及各種氣體的供給方法，將反應(yīng)氣體組成(相對(duì)于氣體組A及氣體組B的總和的體積％)設(shè)為在氣體組A中NH₃：1.0～1.5％、N₂：0.0～5.0％、H₂：55～60％，在氣體組B中AlCl₃：0.6～0.9％、TiCl₄：0.2～0.3％、Al(CH₃)₃：0～0.5％、N₂：0.0～12.0％、H₂：剩余部分，設(shè)為反應(yīng)氣氛壓力：4.5～5.0kPa、反應(yīng)氣氛溫度：700～900℃、供給周期1～5秒、每1周期的氣體供給時(shí)間0.15～0.25秒、氣體供給A和氣體供給B的相位差0.10～0.20秒，并以規(guī)定時(shí)間進(jìn)行熱CVD法，表示表7所示的Ti和Al的周期性組成變化的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒以表7所示的面積比例存在，形成由具有表7所示目標(biāo)層厚的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。

另外，關(guān)于本發(fā)明包覆工具3～9，在表3所示的形成條件下形成了表6所示的下部層、上部層中的任一層。

關(guān)于構(gòu)成所述本發(fā)明包覆工具1～15的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，使用掃描電子顯微鏡(倍率5000倍及20000倍)經(jīng)多個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行觀察的結(jié)果，如圖1所示的膜結(jié)構(gòu)示意圖所示，確認(rèn)到在由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在具有六方晶體的微晶粒，并且其面積比例為30面積以下，另外，微晶粒的平均粒徑R為0.01～0.3μm。從多個(gè)觀察視場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)3處在發(fā)現(xiàn)微晶粒的柱狀組織的晶界中具有0.5μm以上的晶界長(zhǎng)度的部位，計(jì)數(shù)存在于各0.5μm的線段上的晶界數(shù)，通過1.5μm除以3處的合計(jì)晶界數(shù)而能夠得出微晶粒的平均粒徑R。

并且，使用透射型電子顯微鏡(倍率200000倍)并通過能量分散型X射線光譜法(EDS)進(jìn)行表面分析，從而確認(rèn)到在NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在Ti和Al的周期性組成變化。進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果，確認(rèn)到Ti和Al的周期性組成變化x的極大值與極小值之差為0.03～0.25。

并且，以比較為目的，對(duì)工具基體A～D的表面以表3及表5所示的條件且表8所示的目標(biāo)層厚(μm)，通過與本發(fā)明包覆工具1～9相同的方式蒸鍍形成了至少包含Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的硬質(zhì)包覆層。此時(shí)，在(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的成膜工序中，以工具基體表面中的反應(yīng)氣體組成不會(huì)隨時(shí)間變化的方式形成硬質(zhì)包覆層，從而制造出比較包覆工具1～9。

另外，與本發(fā)明包覆工具3～9同樣，關(guān)于比較包覆工具3～9，在表3所示的形成條件下形成了表6所示的下部層、上部層中的任一層。

為了參考，對(duì)工具基體B及工具基體C的表面使用以往的物理蒸鍍裝置通過電弧離子鍍以目標(biāo)層厚蒸鍍形成了參考例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層，從而制造出表8所示的參考包覆工具10。

另外，在參考例的蒸鍍中使用的電弧離子鍍的條件如下。

(a)將所述工具基體B及C在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，并經(jīng)過干燥的狀態(tài)下，在從電弧離子鍍裝置內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的中心軸向徑向分開規(guī)定距離的位置，沿外周部進(jìn)行裝配，并且作為陰極電極(蒸發(fā)源)配置規(guī)定組成的Al-Ti合金，

(b)首先，將裝置內(nèi)部進(jìn)行排氣以保持10^-2Pa以下的真空，并且用加熱器將裝置內(nèi)部加熱到500℃之后，對(duì)于在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上邊自轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)的工具基體施加-1000V的直流偏壓，且使200A的電流在由Al-Ti合金構(gòu)成的陰極電極與陽極電極之間流過，從而產(chǎn)生電弧放電，在裝置內(nèi)部產(chǎn)生Al及Ti離子，并且對(duì)工具基體表面進(jìn)行轟擊清洗，

(c)接著，將氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體導(dǎo)入裝置內(nèi)部而設(shè)為4Pa的反應(yīng)氣氛，并且對(duì)于在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上邊自轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)的工具基體施加-50V的直流偏壓，且使120A的電流在由所述Al-Ti合金構(gòu)成的陰極電極(蒸發(fā)源)與陽極電極之間流過，從而產(chǎn)生電弧放電，在所述工具基體的表面蒸鍍形成表8所示的目標(biāo)組成、目標(biāo)層厚的(Ti,Al)N層，制造出參考包覆工具10。

并且，使用掃描電子顯微鏡(倍率5000倍)測(cè)定本發(fā)明包覆工具1～9、比較包覆工具1～9及參考包覆工具10的各結(jié)構(gòu)層的與工具基體垂直方向的剖面，當(dāng)測(cè)定觀察視場(chǎng)內(nèi)的5點(diǎn)的層厚并進(jìn)行平均而求出平均層厚的結(jié)果，均顯示出與表6～表8所示的目標(biāo)層厚實(shí)質(zhì)上相同的平均層厚。

并且，關(guān)于復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的Al的平均含有比例Xavg，使用電子探針顯微分析儀(EPMA，Electron-Probe-Micro-Analyser)，在研磨了表面的試料中，從試料表面一側(cè)照射電子射線，由所得到的特性X射線的分析結(jié)果的10點(diǎn)平均值求出Al的平均含有比例Xavg。通過二次離子質(zhì)譜分析(SIMS，Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy)求出C的平均含有比例Yavg。從試料表面一側(cè)，在70μm×70μm的范圍內(nèi)照射離子束，對(duì)通過濺射作用而釋放出的成分測(cè)定了深度方向的濃度。C的平均含有比例Yavg表示關(guān)于Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的深度方向的平均值。然而，C的含有比例中排除了作為氣體原料即使有意不使用包含C的氣體也會(huì)包含在內(nèi)的不可避免的C的含有比例。具體而言，求出將Al(CH₃)₃的供給量設(shè)為0時(shí)的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中所包含的C成分的含有比例(原子比)作為不可避免的C的含有比例，將從有意供給了Al(CH₃)₃的情況下得到的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層中所包含的C成分的含有比例(原子比)中減去所述不可避免的C的含有比例的值作為Yavg而求出。

并且，關(guān)于本發(fā)明包覆工具1～9、比較包覆工具1～9及參考包覆工具10，從與工具基體垂直的方向的剖面方向使用掃描電子顯微鏡(倍率5000倍及20000倍)，關(guān)于在工具基體表面和水平方向上的長(zhǎng)度為10μm且在法線方向上小于該復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的膜厚的范圍內(nèi)存在的、構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層中具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的各晶粒，測(cè)定與基體表面平行的方向的粒子寬度w、與基體表面垂直的方向的粒子長(zhǎng)度l，并算出各晶粒的縱橫尺寸比a(＝l/w)，并且算出關(guān)于各晶粒求出的縱橫尺寸比a的平均值作為平均縱橫尺寸比A，并且算出關(guān)于各晶粒求出的粒子寬度w的平均值作為平均粒子寬度W。另外，也算出在由具有立方晶結(jié)構(gòu)的各晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在的微晶粒的平均粒徑R。將其結(jié)果示于表7及表8中。

并且，關(guān)于硬質(zhì)包覆層的傾斜角度數(shù)分布，在將與由Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的工具基體表面垂直的方向的剖面設(shè)為研磨面的狀態(tài)下設(shè)置于場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡的鏡筒內(nèi)，在所述研磨面上，以70度的入射角度，將15kV的加速電壓的電子射線以1nA的照射電流照射于在所述剖面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)存在的具有立方晶晶格的各晶粒，并使用電子背散射衍射圖像裝置，關(guān)于在工具基體表面和水平方向上的長(zhǎng)度為100μm、且沿與工具基體表面垂直的方向的剖面在膜厚以下的距離的測(cè)定范圍內(nèi)的該硬質(zhì)包覆層，以0.01μm/step的間隔測(cè)定所述晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于基體表面的法線(與剖面研磨面中的基體表面垂直的方向)所成的傾斜角，根據(jù)該測(cè)定結(jié)果，在所述測(cè)定傾斜角中，將在0～45度范圍內(nèi)的測(cè)定傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)，由此確認(rèn)存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的峰值的存在，且求出存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的比例。將其結(jié)果同樣示于表7及表8中。

圖4中，作為一例示出關(guān)于本發(fā)明包覆工具進(jìn)行測(cè)定的傾斜角度數(shù)分布，并且圖5中示出關(guān)于比較包覆工具測(cè)定的傾斜角度數(shù)分布曲線圖。

并且，使用電子背散射衍射裝置，在將與由Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的工具基體垂直的方向的剖面作為研磨面的狀態(tài)下設(shè)置于場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡的鏡筒內(nèi)，在所述研磨面上，以70度的入射角度，將15kV的加速電壓的電子射線以1nA的照射電流照射于在所述剖面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)存在的各晶粒，關(guān)于工具基體和水平方向的長(zhǎng)度為50μm、且法線方向上小于該復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的膜厚的硬質(zhì)包覆層，以0.01μm/step的間隔測(cè)定電子背散射衍射圖像，并分析各晶粒的晶體結(jié)構(gòu)，從而確定在由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在的微晶粒為六方晶結(jié)構(gòu)，并求出其微晶粒所占的面積比例。將其結(jié)果同樣示于表7及表8中。

另外，使用透射型電子顯微鏡(倍率200000倍)觀察復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的微小區(qū)域，并使用能量分散型X射線光譜法(EDS)從剖面一側(cè)進(jìn)行表面分析的結(jié)果，確認(rèn)到在所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在組成式：(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)中的Ti和Al的周期性組成變化。并且，通過對(duì)該晶粒進(jìn)行電子射線衍射，確認(rèn)到沿NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的由＜001＞表示的等價(jià)的晶體方位中的一個(gè)方位而存在Ti和Al的周期性組成變化，沿其方位進(jìn)行基于EDS的射線分析，將Ti和Al的周期性組成變化的極大值的平均值和極小值的平均值之差作為Δx而求出，進(jìn)而將極大值的周期作為Ti和Al的周期性組成變化的周期而求出，沿著與該方位正交的方向進(jìn)行射線分析，將Ti和Al的總量中所占的Al的含有比例x的最大值與最小值之差作為Ti和Al的組成變化XO而求出。

將其結(jié)果同樣示于表7及表8中。

[表1]

[表2]

[表3]

[表6]

接著，在利用固定夾具將所述各種包覆工具均夾緊于刀具直徑125mm的工具鋼制刀具前端部的狀態(tài)下，對(duì)本發(fā)明包覆工具1～9、比較包覆工具1～9及參考包覆工具10實(shí)施以下所示的合金鋼的高速斷續(xù)切削的一種即干式高速正面銑削及中心切割式切削加工試驗(yàn)，測(cè)定出切削刃的后刀面磨損寬度。將其結(jié)果示于表9中。

工具基體：碳化鎢基硬質(zhì)合金，碳氮化鈦基金屬陶瓷，

切削試驗(yàn)：干式高速正面銑削，中心切割式切削加工，

工件：JIS·SCM440寬度100mm、長(zhǎng)度400mm的塊體材料，

轉(zhuǎn)速：968min^-1，

切削速度：380m/min，

切深量：1.0mm，

單刀進(jìn)給量：0.1mm/刀，

切削時(shí)間：8分鐘，

(通常的切削速度為220m/min)。

[表9]

比較包覆工具、參考包覆工具一欄的*號(hào)表示因產(chǎn)生崩刀而達(dá)到壽命為止的切削時(shí)間(分鐘)。

實(shí)施例2

作為原料粉末準(zhǔn)備均具有1～3μm的平均粒徑的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末、TiN粉末及Co粉末，將這些原料粉末配合成表10所示的配合組成，進(jìn)而添加石蠟后在丙酮中用球磨機(jī)混合24小時(shí)，在進(jìn)行減壓干燥之后，以98MPa的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的壓坯，將該壓坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持1小時(shí)的條件下進(jìn)行真空燒結(jié)，在燒結(jié)之后，對(duì)切削刃部實(shí)施R：0.07mm的刃口修磨加工，從而分別制造出具有ISO標(biāo)準(zhǔn)CNMG120412的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體α～γ。

并且，作為原料粉末準(zhǔn)備均具有0.5～2μm的平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計(jì)TiC/TiN＝50/50)粉末、NbC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，將這些原料粉末配合成表11所示配合組成，用球磨機(jī)進(jìn)行濕式混合24小時(shí)，在干燥之后，以98MPa的壓力沖壓成型為壓坯，將該壓坯在1.3kPa的氮?dú)夥罩幸詼囟龋?500℃保持1小時(shí)的條件下進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)之后，對(duì)切削刃部分實(shí)施R：0.09mm的刃口修磨加工，從而形成了具有ISO標(biāo)準(zhǔn)CNMG120412的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體δ。

接著，對(duì)這些工具基體α～γ及工具基體δ的表面，使用化學(xué)蒸鍍裝置并通過與實(shí)施例1相同的方法，在表3及表4所示的條件下，以目標(biāo)層厚蒸鍍形成至少包含(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的硬質(zhì)包覆層，從而制造出表13所示的本發(fā)明包覆工具11～19。

另外，關(guān)于本發(fā)明包覆工具13～19，在表3所示的形成條件下形成了表12所示的下部層、上部層中的任一層。

并且，以比較為目的，同樣在工具基體α～γ及工具基體δ的表面，使用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，以表3及表5所示的條件且表13所示的目標(biāo)層厚，以與本發(fā)明包覆工具相同地蒸鍍形成硬質(zhì)包覆層，從而制造出表14所示的比較包覆工具16～28。

另外，與本發(fā)明包覆工具11～19相同，關(guān)于比較包覆工具11～19，在表3所示的形成條件下形成了表12所示的下部層、上部層中的任一層。

為了參考，在工具基體β及工具基體γ的表面，使用以往的物理蒸鍍裝置并通過電弧離子鍍，以目標(biāo)層厚蒸鍍形成參考例的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層，從而制造出表14所示的參考包覆工具20。

另外，電弧離子鍍的條件使用了與實(shí)施例1所示的條件相同的條件。

并且，使用電子掃描顯微鏡(倍率5000倍)，對(duì)本發(fā)明包覆工具11～19、比較包覆工具11～19及參考包覆工具20的各結(jié)構(gòu)層的剖面進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定觀察視場(chǎng)內(nèi)的5點(diǎn)的層厚并進(jìn)行平均而求出平均層厚的結(jié)果，均顯示出實(shí)質(zhì)上與表12～表14所示的目標(biāo)層厚相同的平均層厚。

并且，關(guān)于所述本發(fā)明包覆工具11～19、比較包覆工具11～19及參考包覆工具20的硬質(zhì)包覆層，利用與實(shí)施例1所示的方法相同的方法，算出Al的平均含有比例Xavg、C的平均含有比例Yavg、構(gòu)成柱狀組織(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒的平均粒子寬度W、平均縱橫尺寸比A。并且，利用與實(shí)施例1所示的方法相同的方法，測(cè)定所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于基體表面的法線(與剖面研磨面中的基體表面垂直的方向)所成的傾斜角，根據(jù)該測(cè)定結(jié)果，在所述測(cè)定傾斜角中，將在0～45度范圍內(nèi)的測(cè)定傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)，從而確認(rèn)存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的峰值的存在，且求出存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的比例。

另外，關(guān)于在由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在的微晶粒的平均粒徑R及存在微晶粒的面積比例，也利用與實(shí)施例1中示出的方法相同的方法算出。

將其結(jié)果示于表13及表14中。

關(guān)于構(gòu)成所述本發(fā)明包覆工具11～19的硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，使用電子掃描顯微鏡(倍率5000倍及20000倍)經(jīng)多個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行觀察的結(jié)果，如圖1所示的膜結(jié)構(gòu)示意圖所示，確認(rèn)到存在NaCl型面心立方晶體和六方晶體的柱狀組織的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層。并且，使用透射型電子顯微鏡(倍率200000倍)并通過基于能量分散型X射線光譜法(EDS)的表面分析，確認(rèn)到在NaCl型面心立方晶粒內(nèi)存在Ti和Al的周期性組成分布。進(jìn)一步詳細(xì)分析的結(jié)果，確認(rèn)到x的極大值的平均值和極小值的平均值的Δx為0.03～0.25。

并且，關(guān)于所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層，使用電子背散射衍射裝置，對(duì)由具有立方晶結(jié)構(gòu)的各晶粒構(gòu)成的柱狀組織，從Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的縱剖面方向進(jìn)行分析的結(jié)果，確認(rèn)到存在于晶界部的微晶粒具有六方晶結(jié)構(gòu)。

[表10]

[表11]

[表12]

接著，在利用固定夾具將所述各種包覆工具均緊固于工具鋼制車刀的前端部的狀態(tài)下，對(duì)本發(fā)明包覆工具11～19、比較包覆工具11～19及參考包覆工具20，實(shí)施如下所示的碳鋼的干式高速斷續(xù)切削試驗(yàn)及鑄鐵的濕式高速斷續(xù)切削試驗(yàn)，均測(cè)定出切削刃的后刀面磨損寬度。

切削條件1：

工件：JIS·SCM435的沿長(zhǎng)度方向等間隔配置有4根帶縱槽圓棒，

切削速度：380m/min，

切深量：1.5mm，

進(jìn)給量：0.2mm/rev，

切削時(shí)間：5分鐘，

(通常的切削速度為220m/min)，

切削條件2：

工件：JIS·FCD700的沿長(zhǎng)度方向等間隔配置有4根帶縱槽圓棒，

切削速度：320m/min，

切深量：1.0mm，

進(jìn)給量：0.2mm/rev，

切削時(shí)間：5分鐘，

(通常的切削速度為180m/min)、

表15中示出所述切削試驗(yàn)的結(jié)果。

[表15]

比較包覆工具、參考包覆工具一欄的*號(hào)表示因產(chǎn)生崩刀而達(dá)到壽命為止的切削時(shí)間(分鐘)。

實(shí)施例3

作為原料粉末均準(zhǔn)備具有0.5～4μm的范圍內(nèi)的平均粒徑的cBN粉末、TiN粉末、TiCN粉末、TiC粉末、Al粉末、Al₂O₃粉末，將這些原料粉末配合成表16所示的配合組成，用球磨機(jī)進(jìn)行濕式混合80小時(shí)，在干燥之后，以120MPa的壓力沖壓成型為具有直徑：50mm×厚度：1.5mm的尺寸的壓坯，接著，將該壓坯在壓力：1Pa的真空氣氛中以900～1300℃范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持60分鐘的條件下進(jìn)行燒結(jié)，從而作為切削刃片用備用燒結(jié)體，在將該備用燒結(jié)體與另外準(zhǔn)備的Co：8質(zhì)量％、WC：剩余部分的組成、以及具有直徑：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基硬質(zhì)合金制支撐片重合的狀態(tài)下裝入通常的超高壓燒結(jié)裝置中，在通常條件下即在壓力：4GPa、溫度：1200～1400℃范圍內(nèi)的規(guī)定溫度及保持時(shí)間：0.8小時(shí)的條件下進(jìn)行超高壓燒結(jié)，使用金剛石砂輪對(duì)燒結(jié)后的上下表面進(jìn)行研磨，并利用電火花線切割加工裝置分割成規(guī)定的尺寸，進(jìn)而對(duì)具有Co：5質(zhì)量％、TaC：5質(zhì)量％、WC：剩余部分的組成及JIS標(biāo)準(zhǔn)CNGA120412的形狀(厚度：4.76mm×內(nèi)切圓直徑：12.7mm的80°菱形)的WC基硬質(zhì)合金制刀片主體的釬焊部(角部)，使用以質(zhì)量％計(jì)具有由Zr：37.5％、Cu：25％、Ti：剩余部分構(gòu)成的組成的Ti-Zr-Cu合金的釬料來進(jìn)行釬焊，以規(guī)定尺寸進(jìn)行外周加工之后，對(duì)切削刃部實(shí)施寬度：0.13mm、角度：25°的刃口修磨加工，進(jìn)而實(shí)施精研磨，從而分別制造出具有ISO標(biāo)準(zhǔn)CNGA120412的刀片形狀的工具基體甲、乙。

[表16]

接著，在這些工具基體甲、乙的表面，使用通常的化學(xué)蒸鍍裝置并通過與實(shí)施例1相同的方法，在表3及表4所示的條件下，以目標(biāo)層厚蒸鍍形成至少包含(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的硬質(zhì)包覆層，從而制造出表18中示出的本發(fā)明包覆工具21～24。

另外，關(guān)于本發(fā)明包覆工具22～24，在表3所示的形成條件下形成了如表17所示的下部層、上部層中的任一層。

并且，以比較為目的，同樣在工具基體甲、乙的表面，使用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，在表3及表5所示的條件下，以目標(biāo)層厚蒸鍍形成至少包含(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的硬質(zhì)包覆層，從而制造出表19中示出的比較包覆工具21～24。

另外，與本發(fā)明包覆工具22～24相同地，關(guān)于比較包覆工具22～24，在表3中示出的形成條件下形成了如表17所示的下部層、上部層中的任一層。

為了參考，在工具基體甲、乙的表面，使用以往的物理蒸鍍裝置并通過電弧離子鍍，以目標(biāo)層厚蒸鍍形成(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層，從而制造出表19中示出的參考包覆工具25。

另外，電弧離子鍍的條件使用與實(shí)施例1中示出的條件相同的條件，在所述工具基體的表面蒸鍍形成表19中示出的目標(biāo)組成、目標(biāo)層厚的(Al,Ti)N層，制造出參考包覆工具25。

并且，使用電子掃描顯微鏡(倍率5000倍)，對(duì)本發(fā)明包覆工具21～24、比較包覆工具21～24及參考包覆工具25的各結(jié)構(gòu)層的剖面進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定觀察視場(chǎng)內(nèi)的5點(diǎn)的層厚并進(jìn)行平均而求出平均層厚的結(jié)果，均顯示出實(shí)質(zhì)上與表17～表19中示出的目標(biāo)層厚相同的平均層厚。

并且，關(guān)于所述本發(fā)明包覆工具21～24、比較包覆工具21～24及參考包覆工具25的硬質(zhì)包覆層，利用與實(shí)施例1中示出的方法相同的方法算出Al的平均含有比例Xavg、C的平均含有比例Yavg、構(gòu)成(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)層的具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的平均粒子寬度W、平均縱橫尺寸比A。并且，利用與實(shí)施例1中示出的方法相同的方法，測(cè)定所述具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒的晶面即{111}面的法線相對(duì)于基體表面的法線(與剖面研磨面中的基體表面垂直的方向)所成的傾斜角，根據(jù)該測(cè)定結(jié)果，在所述測(cè)定傾斜角中將0～45度范圍內(nèi)的測(cè)定傾斜角按0.25度的間距進(jìn)行劃分并合計(jì)存在于各分區(qū)內(nèi)的度數(shù)，從而確認(rèn)到存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的峰值的存在，且求出存在于0～10度范圍內(nèi)的度數(shù)的比例。

另外，關(guān)于在由具有NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒構(gòu)成的柱狀組織的晶界部存在的微晶粒的平均粒徑R及存在微晶粒的面積比例，也利用與實(shí)施例1中示出的方法相同的方法算出。將其結(jié)果示于表18及表19中。

[表17]

接著，在利用固定夾具將各種包覆工具均緊固于工具鋼制車刀的前端部的狀態(tài)下，對(duì)本發(fā)明包覆工具21～24、比較包覆工具21～24及參考包覆工具25實(shí)施如下所示的滲碳淬火合金鋼的干式高速斷續(xù)切削加工試驗(yàn)，測(cè)定出切削刃的后刀面磨損寬度。

工具基體：立方晶氮化硼基超高壓燒結(jié)體，

切削試驗(yàn)：滲碳淬火合金鋼的干式高速斷續(xù)切削加工，

工件：JIS·SCr420(硬度：HRC62)的沿長(zhǎng)度方向等間隔配置有4根帶縱槽圓棒，

切削速度：240m/min，

切深量：0.12mm，

進(jìn)給量：0.1mm/rev，

切削時(shí)間：4分鐘，

表20中示出所述切削試驗(yàn)的結(jié)果。

[表20]

比較包覆工具、參考包覆工具一欄的*號(hào)表示因產(chǎn)生崩刀而達(dá)到壽命為止的切削時(shí)間(分鐘)。

從表9、表15及表20中示出的結(jié)果明確可知，本發(fā)明的包覆工具在組成構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物的層的NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)，通過在晶粒內(nèi)存在Ti和Al的周期性組成變化，在晶粒內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變且硬度提高，并且，通過具有柱狀組織而在發(fā)揮較高的耐磨性的同時(shí)，在柱狀組織的晶界部存在六方晶結(jié)構(gòu)的微晶粒，因此抑制晶界滑移且韌性提高，另外，通過NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)的晶粒在{111}面取向，耐后刀面磨損性、耐月牙洼磨損性分別提高，其結(jié)果，當(dāng)在斷續(xù)的沖擊性高負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中使用時(shí)，耐崩刀性及耐缺損性優(yōu)異，且在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。

與此相對(duì)，關(guān)于比較包覆工具1～9、10～19，21～24及參考包覆工具10、20、25明確可知，當(dāng)在伴有高熱產(chǎn)生且斷續(xù)的沖擊性高負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中使用時(shí)，因崩刀、缺損等的產(chǎn)生而短時(shí)間內(nèi)達(dá)到壽命。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

如上所述，本發(fā)明的包覆工具不僅可以用于合金鋼的高速斷續(xù)切削加工中，而且還可以用作各種工件的包覆工具，而且在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨性，因此能夠令人滿意地應(yīng)對(duì)切削裝置的高性能化、切削加工的節(jié)省勞力化及節(jié)能化、以及低成本化。