CN104789938A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种硬质包覆层具备优异的硬度、韧性，且在长期使用中发挥耐崩刀性、耐缺损性的表面包覆工具。本发明的硬质包覆层包含以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示的复合氮化物或复合碳氮化物的层，其中，Me为选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素，Al的平均含有比例Xav、Me的平均含有比例Yav、C的平均含有比例Zav满足0.60≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955，其中，Xav、Yav、Zav为原子比，该层至少包含立方晶粒，并且具有该立方晶粒的平均粒子宽度W为0.05～1.0μm且平均纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，在立方晶粒内存在Ti、Al及Me的规定周期的浓度变化，由此解决上述课题。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

技术领域

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

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。

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。

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、O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。

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。

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Al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。

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Al的含有比例x设为0.6以上，期待进一步提高切削性能。

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Al的含有比例x提高至0.9左右的技术。

例如，专利文献4中记载有如下内容：在TiCl₄、AlCl₃、NH₃的混合反应气体中，在650～900℃的温度范围进行化学蒸镀，由此能够蒸镀形成Al的含有比例x的值为0.65～0.95的(Ti_1-xAl_x)N层，该文献中，在该(Ti_1-xAl_x)N层之上还包覆Al₂O₃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(Ti_1-xAl_x)N层对切削性能有何种影响。

并且，例如，专利文献5中提出了如下内容：将TiCN层、Al₂O₃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(Ti_1-xAl_x)N层(其中，x为0.65～0.9)作为外层，并且对该外层赋予100～1100MPa的压缩应力，由此改善包覆工具的耐热性和疲劳强度。

专利文献1：日本专利公开2002-96205号公报

专利文献2：日本专利公开2008-105164号公报

专利文献3：日本专利公开2006-82207号公报

专利文献4：日本专利公表2011-516722号公报

专利文献5：日本专利公表2011-513594号公报

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。

但是，所述专利文献1中记载的包覆工具中，由(Ti_1-xAl_x)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fcc结构且以柱状生长的TiAlN层内，该纳米晶发生晶格应变，并通过弥散强化机构使TiAlN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。

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。

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(Ti_1-xAl_x)N层，能够提高Al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。

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

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。

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Al的复合氮化物或复合碳氮化物(以下，有时用“(Ti，Al)(C，N)”或“(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)”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究，结果得到如下见解。

即，以往的至少包含一层(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层且具有规定的平均层厚的硬质包覆层当(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)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，(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层的各向异性越高(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)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。

因此，本发明人们对构成硬质包覆层的(Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y)层进行了深入研究，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(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层，并且，在立方晶相内形成Ti、Al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。

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1～20μm的Ti、Al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：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时，Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤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l，将该w与l之比l/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0.05～1.0μm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：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)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Al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Al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_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)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。

而且，如上所述的结构的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层例如在通过含有三甲基铝(Al(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。

(a)成膜工序

将反应气体组成(容量％)设为TiCl₄：1.5～2.5％、Al(CH₃)₃：0～5％、AlCl₃：6～10％、MeCl_n：1～3％、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℃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(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层。

(b)蚀刻工序

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℃的条件构成的TiCl₄蚀刻工序。

另外，作为在上述[(a)成膜工序]中使用的反应气体成分MeCl_n，根据Me成分的种类例如分别使用SiCl₄、ZrCl₄、BCl₃、VCl₄、CrCl₂。或者，也能够使用如SiH₂Cl₂这样的氯基的一部分被氢取代的反应气体。

通过在成膜工序中进行如上所述的TiCl₄蚀刻工序，发现如下：NaCl型的面心立方结构的以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示的晶粒被选择性蚀刻，在晶粒内形成Ti、Al及Me的局部组成差，其为了实现稳定而引起原子的再排列，从而产生组成的周期性变化，其结果，韧性得到飞跃性提高。其结果，尤其耐缺损性、耐崩刀性得到提高，即使在断续的冲击性负荷作用于切削刃的合金钢等的高速断续切削加工中使用时，硬质包覆层也能够在长期使用中发挥优异的切削性能。

本发明是鉴于上述见解而完成的，其具有如下特征：

(1)一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层，其中，

(a)所述硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为1～20μm的Ti、Al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：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时，Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955，

(b)所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相，

(c)并且，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定时，是具有NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的平均粒子宽度W为0.05～1.0μm且平均纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，

(d)另外，在具有所述NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒内，存在组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将Al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Al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。

(2)(1)所述的表面包覆切削工具，其中，

在存在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有NaCl型的面心立方结构的晶粒中，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，沿该取向的周期为3～30nm，与该取向正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下。

(3)(1)所述的表面包覆切削工具，其中，

在存在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有NaCl型的面心立方结构的晶粒中，在晶粒内存在下述区域A及区域B，所述区域A与区域B之间的边界形成于以{110}表示的等价晶面中的一个面，

(a)区域A：沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，若将该取向设为取向d_A，则沿取向d_A的周期为3～30nm，与取向d_A正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下；

(b)区域B：沿着与取向d_A正交的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，若将该取向设为取向d_B，则沿取向d_B的周期为3～30nm，与取向d_B正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下。

(4)(1)至(3)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由具有NaCl型的面心立方结构的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的单相构成。

(5)(1)至(3)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由两种以上的多个相共存的混合相构成，该混合相至少包含具有NaCl型的面心立方结构的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的相，在混合相中共存的其他各相由以选自Ti、Al及Me中的至少一种元素和选自C、N中的至少一种形成的化合物构成。

(6)(1)至(3)、(5)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中，存在具有纤锌矿型的六方晶结构的晶粒，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧测定时，具有该纤锌矿型的六方晶结构的晶粒所存在的面积比例为30面积％以下。

(7)(1)至(6)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

在由所述碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体与所述Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间存在下部层，所述下部层包含Ti化合物层，所述Ti化合物层由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上构成且具有0.1～20μm的总计平均层厚。

(8)(1)至(7)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的上部存在包含氧化铝层的上部层，所述氧化铝层至少具有1～25μm的平均层厚。

(9)(1)至(8)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法成膜。

另外，本发明中的硬质包覆层将如上所述的复合氮化物或复合碳氮化物的层作为其本质的结构，另外，同时使用一直以来已知的下部层和上部层等，由此当然能够与复合氮化物或复合碳氮化物的层所发挥的效果相结合而创造出进一步优异的特性。

以下，对本发明进行详细说明。

构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层的平均层厚：

本发明的硬质包覆层至少包含被化学蒸镀的以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层。该复合氮化物或复合碳氮化物的层硬度较高且具有优异的耐磨性，尤其当平均层厚为1～20μm时，显著发挥其效果。其原因在于，当平均层厚小于1μm时，层厚较薄，因此无法在长期使用中充分确保耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过20μm，则Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的晶粒容易粗大化，从而容易发生崩刀。因此，将其平均层厚定为1～20μm。

构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层的组成：

当构成本发明的硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时(其中，Me为选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素)，控制成Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955。

其原因在于，若Al的平均含有比例Xav小于0.60，则Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬度较差，因此当供合金钢等的高速断续切削时，耐磨性不充分。另一方面，若Al的平均含有比例Xav超过0.95，则Ti的含有比例相对减少，因此导致脆化，耐崩刀性下降。因此，Al的平均含有比例Xav设定为0.60≤Xav≤0.95。

并且，若Me的平均含有比例Yav小于0.005，则Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬度较差，因此当供合金钢等的高速断续切削时，耐磨性不充分。另一方面，若超过0.10，则因Me向粒界的偏析等，Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的韧性下降，当供合金钢等的高速断续切削时，耐崩刀性不充分。因此，Me的平均含有比例Yav设定为0.005≤Yav≤0.10。

在此，使用选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素作为Me的具体成分。

当以Yav成为0.005以上的方式使用Si成分或B成分作为Me时，复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬度得到提高，因此可以实现耐磨性的提高，Zr成分具有强化晶界的作用，并且，V成分提高韧性，因此可以实现耐崩刀性的进一步的提高，Cr成分提高抗氧化性，因此可以期待工具寿命的进一步长寿命化。但是，任何成分都是平均含有比例Yav超过0.10时，Al成分、Ti成分的平均含有比例相对减少，因此会显示出耐磨性或耐崩刀性下降的趋势，因此必须避免成为如Yav超过0.10的平均含有比例。

并且，当复合氮化物或复合碳氮化物的层中所含的C的平均含有比例(原子比)Zav为0≤Zav≤0.005的范围的微量时，复合氮化物或复合碳氮化物的层与工具基体或下部层之间的粘附性得到提高，且润滑性得到提高，由此缓和切削时的冲击，结果，复合氮化物或复合碳氮化物的层的耐缺损性及耐崩刀性得到提高。另一方面，若C的平均含有比例Zav脱离0≤Zav≤0.005的范围，则复合氮化物或复合碳氮化物的层的韧性下降，因此耐缺损性及耐崩刀性反而下降，因此不优选。因此，C的平均含有比例Zav设定为0≤Zav≤0.005。

构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的具有NaCl型的面心立方结构(以下仅称为“立方晶”)的晶粒：

当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的各立方晶粒时，将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l，将所述w与l之比l/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，控制成平均粒子宽度W满足0.05～1.0μm，平均纵横尺寸比A满足5以下。

满足该条件时，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的立方晶粒成为粒状组织，保持优异的耐磨性的同时显示出优异的耐崩刀性、耐缺损性。另一方面，若平均纵横尺寸比A超过5则晶粒成为柱状晶，耐崩刀性、耐缺损性下降，因此不优选。

并且，若平均粒子宽度W小于0.05μm则耐磨性下降，若超过1.0μm则韧性下降。因此，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的立方晶粒的平均粒子宽度W定为0.05～1.0μm。

在具有立方晶结构的晶粒内存在的Ti、Al及Me的浓度变化：

另外，当以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示具有立方晶结构的晶体时，在晶粒内存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化时(即，x、y、z并非恒定值，而是周期性变化的值时)，晶粒发生应变，硬度得到提高。然而，当将Ti、Al及Me的浓度变化大小的指标、即所述组成式中的Al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Al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，若Xmax与Xmin之差小于0.05，则前述的晶粒应变较小且无法期待硬度的充分提高。另一方面，若Xmax与Xmin之差超过0.25，则晶粒的应变过大，晶格缺陷变大，从而硬度下降。因此，在具有立方晶结构的晶粒内存在的Ti、Al及Me的浓度变化中将Xmax与Xmin之差设为0.05～0.25。并且，在存在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒中，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化时，难以产生因晶粒的应变所导致的晶格缺陷，韧性得到提高。并且，在与所述的存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化的取向正交的面内，Ti、Al及Me的浓度实际上没有变化，上述正交的面内的Ti、Al及Me的浓度变化的Al在Ti、Al及Me的总量中所占的含有比例的平均值Xo的变化为0.01以下。

并且，当沿所述立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向的浓度变化的周期小于3nm时，韧性下降，若超过30nm则无法充分发挥硬度的提高效果。因此，更理想的所述浓度变化的周期为3～30nm。

并且，对于在正交的两个方向上存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化的、在晶粒内存在区域A和区域B的晶粒，通过使两个方向的应变存在于晶粒内来提高韧性。另外，区域A与区域B的边界形成于以{110}表示的等价晶面中的一个面，由此不会产生区域A与区域B的边界的失配，因此能够维持较高的韧性。

即，当形成有：沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将该取向设为取向d_A时，沿取向d_A的周期为3～30nm，与取向d_A正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下的区域A；及沿着与取向d_A正交的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将该取向设为取向d_B时，沿取向d_B的周期为3～30nm，与取向d_B正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下的区域B时，在晶粒内存在两个方向的应变，由此韧性得到提高，另外，区域A与区域B的边界形成于以{110}表示的等价晶面中的一个面，由此不会产生区域A与区域B的边界的失配，因此能够维持较高的韧性。

晶粒中的立方晶相所占的面积比例：

本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层能够由观测到立方晶格的电子背散射衍射图像的立方晶相的单相构成，但也可以以两种以上的多个相共存的混合相的形态构成。此时，在混合相中共存的立方晶相以外的其他各相也能够以选自Ti、Al及Me中的至少一种元素和选自C、N中的至少一种的化合物的形态构成。

作为其他的相，例如当使用电子背散射衍射装置(EBSD)从所述Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的纵截面(与工具基体表面垂直的皮膜截面)方向分析各个晶粒的晶体取向时，允许存在观测到具有纤锌矿型的六方晶结构(以下仅称为“六方晶”)的六方晶格的电子背散射衍射图像的六方晶相。

但是，当存在作为混合相的六方晶相时，从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧测定该六方晶相所占的面积比例时，该六方晶相在测定视场面积中所占的面积比例优选为30面积％以下。这是因为，若晶粒中的六方晶相所占的面积比例超过30面积％则硬度下降，其结果，耐磨性下降。

并且，本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层，即使在包含由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上构成且具有0.1～20μm的总计平均层厚的Ti化合物层作为下部层时、和/或包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层作为上部层时，前述的特性也不会受损，通过同时使用这些公知的下部层和上部层等，能够与这些层所发挥的效果相结合而创造出更加优异的特性。当包含由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上构成的Ti化合物层作为下部层时，若Ti化合物层的总计平均层厚超过20μm，则晶粒容易粗大化，从而容易发生崩刀。并且，当包含氧化铝层作为上部层时，若氧化铝层的总计平均层厚超过25μm，则晶粒容易粗大化，从而容易发生崩刀。另一方面，若下部层低于0.1μm，则无法期待本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层的与下部层的粘附性提高效果，并且，若上部层低于1μm，则基于形成上部层所得到的耐磨性提高效果不会显著。

图1中示出构成本发明的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的截面示意图。

本发明的在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层的表面包覆切削工具中，硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为1～20μm的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，当以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时，Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955，复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相(立方晶相)，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定时，是立方晶粒的平均粒子宽度W为0.05～1.0μm且平均纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，在具有立方晶结构的晶粒内存在组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将Al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Al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，由此在复合氮化物或复合碳氮化物的具有立方晶结构的晶粒内发生应变，因此晶粒的硬度得到提高，保持较高的耐磨性的同时提高韧性。其结果，可以发挥提高耐崩刀性的效果，与以往的硬质包覆层相比，在长期使用中发挥优异的切削性能，从而实现包覆工具的长寿命化。

附图说明

图1是示意地表示构成本发明的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的截面的膜结构示意图。

图2是示意地表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层的截面上，关于存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，与该取向正交的面内的Al的含有比例x的变化较小的情况的示意图。

图3是示意地表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层的截面上，关于存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒，在晶粒内存在区域A和区域B的情况的示意图。

图4是表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层的截面上，对于存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒，使用透射型电子显微镜进行基于能量分散型X射线光谱法(EDS)的线分析后的结果中Al相对于Ti、Al及Me的总计的周期性浓度变化x的曲线图的一例的图。

具体实施方式

本发明的在硬质合金制工具基体即由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层的表面包覆切削工具中，硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为1～20μm的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，当以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时，Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的晶粒至少包含具有立方晶结构的晶粒，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定时，是具有立方晶结构的晶粒的平均粒子宽度W为0.05～1.0μm且平均纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，在具有立方晶结构的晶粒内存在组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将Al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Al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，通过具有这种结构，耐崩刀性得到提高，与以往的硬质包覆层相比，在长期使用中发挥优异的切削性能，从而实现包覆工具的长寿命化，只要是这种表面包覆切削工具，则其具体实施方式可以是任意的。

接着，使用实施例对本发明的包覆工具的一实施方式进行具体说明。

[实施例1]

作为原料粉末，准备均具有1～3μm的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进一步添加石蜡，在丙酮中球磨混合24小时，进行减压干燥之后，在98MPa的压力下冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件进行真空烧结，烧结之后，分别制造出具有ISO标准SEEN1203AFSN的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A～C。

并且，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN(以质量比计为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，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，并利用球磨机湿式混合24小时，干燥之后，在98MPa的压力下冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃下保持1小时的条件进行烧结，烧结之后，制作出具有ISO标准SEEN1203AFSN的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体D。

接着，在这些工具基体A～D的表面，使用通常的化学蒸镀装置，

(a)在表4所示的形成条件A～V，即，将反应气体组成(容量％)设为TiCl₄：1.5～2.5％、Al(CH₃)₃：0～5％、AlCl₃：6～10％、MeCl_n：1～3％、NH₃：10～12％、N₂：6～7％、C₂H₄：0～1％、H₂：剩余，并设为反应气氛压力：2～3kPa、反应气氛温度：700～900℃来进行规定时间的热CVD法，由此进行表7、8所示的平均粒子宽度W及平均纵横尺寸比A的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的成膜(成膜工序)。

另外，关于上述MeCl_n，根据Me(Si、Zr、B、V、Cr)的类别分别使用SiCl₄、ZrCl₄、BCl₃、VCl₄、CrCl₂。

(b)在所述(a)的成膜工序时，进行规定时间、规定次数的表5所示的形成条件a～j，即，将反应气体组成(容量％)设为TiCl₄：2.0～5.0％、H₂：剩余，并设为反应气氛压力：2～5kPa、反应气氛温度：750～900℃的TiCl₄蚀刻工序(蚀刻工序)。

(c)在所述(a)的成膜工序中，进行表7、8所示的规定时间、规定次数的由(b)构成的蚀刻工序，由此形成由具有表7、8所示的目标层厚的至少包含立方晶的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层构成的硬质包覆层，从而制造出本发明包覆工具1～27。

另外，对于本发明包覆工具6～13、17、18、20、21、24、27，在表3所示的形成条件下形成表6所示的下部层和/或表7、8所示的上部层。

对于构成所述本发明包覆工具1～27的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)遍及多个视场进行观察的结果，如图1所示的膜结构示意图所示，确认到包含立方晶或立方晶与六方晶的混合相的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层。并且，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)，通过基于能量分散型X射线光谱法(EDS)的面分析确认到在立方晶粒内存在Ti、Al及Me的周期性分布。另外，利用通过使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)的EDS进行面分析的结果，将在本发明中的复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在的立方晶粒的五个周期部分的x的周期中的x的极大值的平均值设为Xmax，并且同样地将五个周期部分的x的周期中的x的极小值的平均值设为Xmin，求出其差(＝Xmax-Xmin)的结果，确认到其值为0.05～0.25。

并且，对于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子背散射衍射装置从Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定、分析各个晶粒的晶体结构时，确认到由观察到立方晶格的电子背散射衍射图像的立方晶相的单相或立方晶相与观察到六方晶格的电子背散射衍射图像的六方晶相的混合相构成，且六方晶相的面积在观察到电子背散射衍射图像的测定视场面积中所占的比例为30面积％以下。

并且，以比较为目的，在工具基体A～D的表面，以表3及表4所示的条件且以表9、10所示的目标层厚(μm)，与本发明包覆工具1～27同样地蒸镀形成至少包含Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的硬质包覆层。此时，在(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的成膜工序中不进行蚀刻工序就形成硬质包覆层，从而制造出比较包覆工具1～13、16～27。

另外，与本发明包覆工具6～13、17、18、20、21、24、27同样地，对于比较包覆工具6～13、17、18、20、21、24、27以表3所示的形成条件形成表6所示的下部层和/或表9、10所示的上部层。

为了参考，在工具基体B及工具基体C的表面，使用以往的物理蒸镀装置通过电弧离子镀以目标层厚蒸镀形成参考例的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层，从而制造出表9所示的参考包覆工具14、15。

另外，在参考例的蒸镀中使用的电弧离子镀的条件如下。

(a)在丙酮中对所述工具基体B及C进行超声波清洗，并以干燥的状态，在从电弧离子镀装置内的转台上的中心轴沿半径方向相隔规定距离的位置上沿着外周部进行安装，并且，作为阴极电极(蒸发源)配置规定组成的Ti-Al-Me合金，

(b)首先，对装置内进行排气并保持10^-2Pa以下的真空，同时利用加热器将装置内加热至500℃之后，对在所述转台上自转的同时旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，并且，使200A的电流流过由Ti-Al-Me合金构成的阴极电极与阳极电极之间而产生电弧放电，从而在装置内产生Ti、Al及Me离子，由此对工具基体表面进行轰击清洗，

(c)接着，在装置内导入氮气体作为反应气体并设为4Pa的反应气氛，并且，对在所述转台上自转的同时旋转的工具基体施加-50V的直流偏置电压，并且，使120A的电流流过由所述Ti-Al-Me合金构成的阴极电极(蒸发源)与阳极电极之间而产生电弧放电，从而在所述工具基体的表面蒸镀形成表9所示的目标组成、目标层厚的(Ti，Al，Me)N层，从而制造出参考包覆工具14、15。

并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)测定本发明包覆工具1～27、比较包覆工具1～13、16～27及参考包覆工具14、15的各构成层的与工具基体垂直的方向的截面，测量观察视场内的5个点的层厚并进行平均来求出平均层厚的结果，均显示出与表7～10所示的目标层厚基本上相同的平均层厚。

并且，关于复合氮化物或复合碳氮化物的层的平均Al含有比例x，使用电子射线显微分析仪(EPMA，Electron-Probe-Micro-Analyser)，在表面研磨的试料中，从试料表面侧照射电子射线，由所得到的特性X射线的分析结果的10个点的平均求出Al的平均Al含有比例Xav及Me的平均含有比例Yav。关于平均C含有比例Zav，通过二次离子质量分析(SIMS，Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy)求出。从试料表面侧向70μm×70μm的范围照射离子束，对通过溅射作用而释放的成分进行深度方向的浓度测定。平均C含有比例Zav表示对于Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层的深度方向的平均值。

并且，对于本发明包覆工具1～27及比较包覆工具1～13、16～27及参考包覆工具14、15，从与工具基体垂直的方向的截面方向使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)，对沿与工具基体表面水平的方向在长度10μm的范围存在的构成复合氮化物或复合碳氮化物的层的粒状组织(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层中的各个晶粒从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧进行观察，测定与基体表面平行的方向的粒子宽度w、与基体表面垂直的方向的粒子长度l，并计算各晶粒的纵横尺寸比a(＝l/w)，并且计算对各个晶粒求出的纵横尺寸比a的平均值作为平均纵横尺寸比A，并且计算对各个晶粒求出的粒子宽度w的平均值作为平均粒子宽度W。将其结果示于表7～10。

并且，使用电子背散射衍射装置，以将由Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层构成的硬质包覆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，固定于场发射型扫描电子显微镜的镜筒内，以与所述研磨面成70度的入射角度并以1nA的照射电流，对在所述截面研磨面的测定范围内存在的各个晶粒照射15kV的加速电压的电子射线，沿与工具基体表面水平的方向遍及长度100μm，对硬质包覆层以0.01μm/step的间隔测定电子背散射衍射图像，并分析各个晶粒的晶体结构，由此鉴定是立方晶结构还是六方晶结构，并确认Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层中是否包含立方晶的复合氮化物或复合碳氮化物的相，并且，求出该层所包含的六方晶相所占的面积比例。将其结果同样示于表7～10。

另外，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)观察复合氮化物或复合碳氮化物的层的微小区域，并使用能量分散型X射线光谱法(EDS)从截面侧进行面分析的结果，确认到在具有所述立方晶结构的晶粒内存在组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化。并且，通过对该晶粒进行电子射线衍射来确认沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，在五个周期部分的区段进行沿该取向的基于EDS的线分析，求出Al相对于Ti、Al及Me的总计的周期性浓度变化的极大值的平均值作为Xmax，并求出该区段的Al相对于Ti、Al及Me的总计的周期性浓度变化的极小值的平均值作为Xmin，从而求出其差(＝Xmax-Xmin)。

并且，在相当于所述五个周期部分的距离的区段进行沿与具有Ti、Al及Me的周期性浓度变化的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向正交的方向的线分析，求出该区段的Al的含有比例x的最大值与最小值之差来作为与具有Ti、Al及Me的周期性浓度变化的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向正交的面内的变化量的最大值ΔXo。

另外，关于在晶粒内存在区域A和区域B的晶粒，对于区域A和区域B与前述同样地分别求出Al相对于Ti、Al及Me的总计的五个周期部分的周期性浓度变化的极大值的平均值Xmax与极小值的平均值Xmin之差(＝Xmax-Xmin)，并且求出与具有Ti、Al及Me的周期性浓度变化的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向正交的面内Al相对于Ti、Al及Me的总计的含有比例x的最大值与最小值之差作为变化量的最大值。

即，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在区域A的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，将该取向设为取向d_A时，求出沿取向d_A的浓度变化的周期，并且在相当于所述五个周期部分的距离的区段进行沿与取向d_A正交的方向的线分析，求出该区段的Al的含有比例x的最大值与最小值之差来作为与具有Ti、Al及Me的周期性浓度变化的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向正交的面内的变化量的最大值ΔXoda。

并且，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在区域B的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，将该取向设为取向d_B时，求出沿取向d_B的浓度变化的周期，并且在相当于所述五个周期部分的距离的区段进行沿与取向d_B正交的方向的线分析，求出该区段的Al的含有比例x的最大值与最小值之差来作为与具有Ti、Al及Me的周期性浓度变化的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向正交的面内的变化量的最大值ΔXodb。

并且，确认到d_A和d_B正交，区域A与区域B的边界形成于以{110}表示的等价的晶面中的一个面。

这种周期的确认由使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)的复合氮化物或复合碳氮化物的层的微小区域的观察视场中的最少一个该晶粒进行确认。并且，对于在晶粒内存在区域A和区域B的晶粒，通过计算使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)观察的复合氮化物或复合碳氮化物的层的微小区域的视场中最少一个该晶粒分别在该区域A及区域B评价的值的平均来求出。

[表1]

[表2]

[表5]

[表6]

接着，均以将所述各种包覆工具通过固定夹具夹紧于刀具直径为125mm的工具钢制刀具前端部的状态，对本发明包覆工具1～27、比较包覆工具1～13、16～27及参考包覆工具14、15实施以下所示的作为合金钢的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，并测定切削刃的后刀面磨损宽度。将其结果示于表11。

工具基体：碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷

切削试验：干式高速正面铣削、中心切割式切削加工

工件：JIS·SCM440宽度100mm、长度400mm的块材

转速：943min^-1

切削速度：370m/min

切削深度：1.5mm

单刃进给量：0.12mm/刃

切削时间：8分钟

[表11]

[实施例2]

作为原料粉末，准备均具有1～3μm的平均粒径的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，将这些原料粉末配合成表12所示的配合组成，进一步添加石蜡，在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，在98MPa的压力下冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度下保持1小时的条件进行真空烧结，烧结之后，对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工，由此分别制造出具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体α～γ。

并且，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN(以质量比计为TiC/TiN＝50/50)粉末、NbC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表13所示的配合组成，并利用球磨机湿式混合24小时，干燥之后，在98MPa的压力下冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃下保持1小时的条件进行烧结，烧结之后，对切削刃部分实施R：0.09mm的刃口修磨加工，由此形成具有ISO标准·CNMG120412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体δ。

接着，在这些工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用通常的化学蒸镀装置，

(a)在表4所示的形成条件A～V，即，将反应气体组成(容量％)设为TiCl₄：1.5～2.5％、Al(CH₃)₃：0～5％、AlCl₃：6～10％、MeCl_n：1～3％、NH₃：10～12％、N₂：6～7％、C₂H₄：0～1％、H₂：剩余，并设为反应气氛压力：2～5kPa、反应气氛温度：750～900℃来进行规定时间的热CVD法，由此进行表15、16所示的平均粒子宽度W及平均纵横尺寸比A的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的成膜(成膜工序)。

另外，对于上述MeCl_n，与实施例1同样地根据Me(Si，Zr，B，V，Cr)的类别分别使用SiCl₄、ZrCl₄、BCl₃、VCl₄、CrCl₂。

(b)在所述(a)的成膜工序时，进行规定时间、规定次数的表5所示的形成条件a～j，即，将反应气体组成(容量％)设为TiCl₄：2.0～5.0％、H₂：剩余，并设为反应气氛压力：2～5kPa、反应气氛温度：750～900℃的TiCl₄蚀刻工序(蚀刻工序)。

(c)在所述(a)的成膜工序中，进行表15、16所示的规定时间、规定次数的由(b)构成的蚀刻工序，由此形成由具有表15、16所示的目标层厚的至少包含立方晶的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层构成的硬质包覆层，从而制造出本发明包覆工具31～57。

另外，对于本发明包覆工具34～43、47、48、50、51、54、57，在表3所示的形成条件下形成表14所示的下部层和/或表15、16所示的上部层。

并且，以比较为目的，同样地在工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用通常的化学蒸镀装置以表3及表4所示的条件及表17、18所示的目标层厚与本发明包覆工具同样地蒸镀形成硬质包覆层，从而制造出表17、18所示的比较包覆工具31～43、46～57。

另外，与本发明包覆工具34～43、47、48、50、51、54、57同样地，对比较包覆工具34～43、47、48、50、51、54、57在表3所示的形成条件下形成表14所示的下部层和/或表17、18所示的上部层。

为了参考，在工具基体β及工具基体γ的表面，使用以往的物理蒸镀装置通过电弧离子镀以目标层厚蒸镀形成参考例的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层，从而制造出表17所示的参考包覆工具44、45。

另外，电弧离子镀的条件使用与实施例1所示的条件相同的条件。

并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)测定本发明包覆工具31～57、比较包覆工具31～43，46～57及参考包覆工具44、45的各构成层的截面，测量观察视场内的5个点的层厚并进行平均来求出平均层厚的结果，均显示出与表15～18所示的目标层厚基本上相同的平均层厚。

并且，对于所述本发明包覆工具31～57、比较包覆工具31～43，46～57及参考包覆工具44、45的硬质包覆层，使用与实施例1所示的方法相同的方法求出平均Al含有比例Xav、平均Me含有比例Yav、平均C含有比例Zav、构成粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A、晶粒中的六方晶相所占的面积比例。将其结果示于表15～18。

对于构成所述本发明包覆工具31～57的硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)遍及多个视场进行观察的结果，如图1所示的膜结构示意图所示，确认到存在立方晶的粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层。并且，使用透射型电子显微镜(倍率200000倍)，通过基于能量分散型X射线光谱法(EDS)的面分析确认到在立方晶粒内存在Ti、Al及Me的周期性浓度分布。进一步详细分析的结果，确认到Al的含有比例x发生周期性变化的x值的极大值的平均值Xmax、与Al的含有比例x发生周期性变化的x值的极小值的平均值Xmin之差(Xmax-Xmin)为0.05～0.25。

并且，对于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，使用电子背散射衍射装置，从与Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的层的工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定、分析各个晶粒的晶体结构时，确认到由观察到立方晶格的电子背散射衍射图像的立方晶相的单相或立方晶相和观察到六方晶格的电子背散射衍射图像的六方晶相的混合相构成，且六方晶相的面积在观察到电子背散射衍射图像的测定视场面积中所占的比例为30面积％以下。

[表12]

[表13]

[表14]

接着，均以将所述各种包覆工具通过固定夹具紧固于工具钢制车刀的前端部的状态，对本发明包覆工具31～57、比较包覆工具31～43、46～57及参考包覆工具44、45实施以下所示的合金钢的干式高速断续切削试验、铸铁的湿式高速断续切削试验，并且均测定切削刃的后刀面磨损宽度。

切削条件1：

工件：JIS·SCM435的长度方向上等间隔形成有四条纵槽的圆棒

切削速度：360m/min

切削深度：1.5mm

进给量：0.2mm/rev

切削时间：5分钟

(通常的切削速度为220m/min)

切削条件2：

工件：JIS·FCD450的长度方向上等间隔形成有四条纵槽的圆棒

切削速度：350m/min

切削深度：1.2mm

进给量：0.4mm/rev

切削时间：5分钟

(通常的切削速度为200m/min)

在表19中示出所述切削试验的结果。

[实施例3]

作为原料粉末，准备均具有0.5～4μm的范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、TiCN粉末、TiC粉末、Al粉末及Al₂O₃粉末，将这些原料粉末配合成表20所示的配合组成，并利用球磨机湿式混合80小时，干燥之后，在120MPa的压力下冲压成型为具有直径：50mm×厚度：1.5mm的尺寸的压坯，接着，将该压坯在压力：1Pa的真空气氛中以900～1300℃范围内的规定温度下保持60分钟的条件进行烧结而制作成切削刃片用预烧结体，将该预烧结体以与另行准备的具有Co：8质量％、WC：剩余的组成、及直径：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基硬质合金制支承片重合的状态，装入通常的超高压烧结装置中，在通常条件即压力：4GPa、温度：1200～1400℃的范围内的规定温度下保持时间：0.8小时的条件下进行超高压烧结，烧结之后，使用金刚石砂轮研磨上下表面，通过电火花线切割加工装置分割为规定的尺寸，另外，对具有Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：剩余的组成、及JIS标准CNGA120412的形状(厚度：4.76mm×内切圆直径：12.7mm的80°菱形)的WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(角部)，使用以质量％计具有由Zr：37.5％、Cu：25％、Ti：剩余构成的组成的Ti-Zr-Cu合金的钎料进行钎焊，将外周加工成规定尺寸之后，对切削刃部实施宽度：0.13mm、角度：25°的刃口修磨加工，进一步实施精磨，由此分别制造出具有ISO标准CNGA120412的刀片形状的工具基体甲、乙。

[表20]

接着，在这些工具基体甲、乙的表面，使用通常的化学蒸镀装置，通过与实施例1相同的方法在表3及表4所示的条件下以目标层厚蒸镀形成至少包含(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的硬质包覆层，从而制造出表22、23所示的本发明包覆工具61～72。

另外，对于本发明包覆工具64～68、71，在表3所示的形成条件下形成如表21所示的下部层和/或如表22、23所示的上部层。

并且，以比较为目的，同样地在工具基体甲、乙的表面，使用通常的化学蒸镀装置在表3及表4所示的条件下以目标层厚蒸镀形成至少包含(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的硬质包覆层，从而制造出表24、25所示的比较包覆工具61～64、67～74。

另外，与本发明包覆工具64～68、71同样地，对比较包覆工具64、67、68在表3所示的形成条件下形成如表21所示的下部层和/或如表24、25所示的上部层。

为了参考，在工具基体甲、乙的表面，使用以往的物理蒸镀装置通过电弧离子镀以目标层厚蒸镀形成(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层，从而制造出表24所示的参考包覆工具69、70。

另外，电弧离子镀的条件使用与实施例1所示的条件相同的条件，在所述工具基体的表面蒸镀形成表24所示的目标组成、目标层厚的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层，从而制造出参考包覆工具65、66。

并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)测定本发明包覆工具61～72、比较包覆工具61～64、67～74及参考包覆工具65、66的各构成层的截面，测量观察视场内的5个点的层厚并进行平均来求出平均层厚的结果，均显示出与表22～25所示的目标层厚基本上相同的平均层厚。

并且，对于所述本发明包覆工具61～72、比较包覆工具61～64、67～74及参考包覆工具65、66的硬质包覆层，使用与实施例1所示的方法相同的方法求出平均Al含有比例Xav、平均Me含有比例Yav、平均C含有比例Zav、构成粒状组织的(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)层的晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A、晶粒中的六方晶相所占的面积比例。将其结果示于表22～25。

[表21]

接着，均以将各种包覆工具通过固定夹具紧固于工具钢制车刀的前端部的状态，对本发明包覆工具61～72、比较包覆工具61～64、67～74及参考包覆工具65、66实施以下所示的渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工试验，并测定切削刃的后刀面磨损宽度。

切削试验：渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工

工件：JIS·SCr420(硬度：HRC62)的长度方向上等间隔形成有四条纵槽的圆棒

切削速度：260m/min

切削深度：0.15mm

进给量：0.15mm/rev

切削时间：4分钟

在表26中示出所述切削试验的结果。

[表26]

由表11、表19及表26所示的结果明确可知如下：本发明的包覆工具在Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的至少包含立方晶粒的硬质包覆层中，在该立方晶粒内存在Ti、Al及Me的浓度变化，由此通过晶粒的应变来提高硬度，保持较高的耐磨性的同时提高韧性。而且，即使在断续的冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，其结果，在长期使用中发挥优异的耐磨性。

相对于此，关于构成硬质包覆层的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的至少包含立方晶粒的硬质包覆层中，在该立方晶粒内不存在Ti、Al及Me的浓度变化的比较包覆工具1～13、16～27、31～43、46～57、61～64、67～74及参考包覆工具14、15、44、45、65、66明确可知，当在伴随高热发生且断续的冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，因崩刀、缺损等的发生而在短时间内达到寿命。

产生上的可利用性

如上所述，本发明的包覆工具不仅能够用于合金钢的高速断续切削加工，而且还能够用作各种工件的包覆工具，而且在长期使用中发挥优异的耐崩刀性、耐磨性，因此能够十分满意地应对切削装置的高性能化、切削加工的节省劳力化及节能化、甚至低成本化。

Claims (9)

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体的表面设有硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，

(a)所述硬质包覆层至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚为1～20μm的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，其中，Me为选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素，当以组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)表示时，Al在Ti、Al及Me的总量中所占的平均含有比例Xav及Me在Ti、Al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分别满足0.60≤Xav≤0.95、0.005≤Yav≤0.10、0≤Zav≤0.005、Xav+Yav≤0.955，其中，Xav、Yav、Zav均为原子比，

(b)所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的相，

(c)并且，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧观察、测定时，是具有NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的平均粒子宽度W为0.05～1.0μm且平均纵横尺寸比A为5以下的粒状组织，

(d)另外，在具有所述NaCl型的面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒内，存在组成式：(Ti_1-x-yAl_xMe_y)(C_zN_1-z)中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化，当将Al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Al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。

2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在存在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有NaCl型的面心立方结构的晶粒中，沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，沿该取向的周期为3～30nm，与该取向正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下。

3.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在存在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的Ti、Al及Me的周期性浓度变化的具有NaCl型的面心立方结构的晶粒中，在晶粒内存在下述区域A及区域B，所述区域A与区域B之间的边界形成于以{110}表示的等价晶面中的一个面，

(a)区域A：沿着立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，若将该取向设为取向d_A，则沿取向d_A的周期为3～30nm，与取向d_A正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下；

(b)区域B：沿着与取向d_A正交的立方晶粒的以＜001＞表示的等价的晶体取向中的一个取向存在Ti、Al及Me的周期性浓度变化，若将该取向设为取向d_B，则沿取向d_B的周期为3～30nm，与取向d_B正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由具有NaCl型的面心立方结构的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的单相构成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层由两种以上的多个相共存的混合相构成，该混合相至少包含具有NaCl型的面心立方结构的Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的相，在混合相中共存的其他各相由以选自Ti、Al及Me中的至少一种元素和选自C、N中的至少一种形成的化合物构成。

6.根据权利要求1至3或5中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中，存在具有纤锌矿型的六方晶结构的晶粒，当从与工具基体表面垂直的皮膜截面侧测定时，具有该纤锌矿型的六方晶结构的晶粒所存在的面积比例为30面积％以下。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在由所述碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任意一种构成的工具基体与所述Ti、Al及Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间存在下部层，所述下部层包含Ti化合物层，所述Ti化合物层由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或两层以上构成且具有0.1～20μm的总计平均层厚。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层的上部存在包含氧化铝层的上部层，所述氧化铝层至少具有1～25μm的平均层厚。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述复合氮化物或复合碳氮化物的层通过至少含有三甲基铝作为反应气体成分的化学蒸镀法成膜。