CN107073593A - 表面包覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包覆工具。其中，硬质包覆层包含由组成式：(Ti1‑x‑yAlxMey)(CzN1‑z)表示的复合氮化物或复合碳氮化物的层(2)，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Xavg、Me的平均含有比例Yavg及C的平均含有比例Zavg满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层(2)的晶粒中存在具有立方晶结构的晶粒，在具有立方晶结构的晶粒内存在Ti、Al、Me的规定的周期性组成变化。

Description

表面包覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种在伴随合金钢等产生高热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(以下称作包覆工具)。
本申请主张基于2014年10月28日于日本申请的专利申请2014-219207号及2015年10月22日于日本申请的专利申请2015-208164号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
以往，已知有如下包覆工具：通常在由碳化钨(以下由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下由TiCN表示)基金属陶瓷或立方晶氮化硼(以下由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系复合氮化物层而作为硬质包覆层，并且已知它们发挥优异的耐磨性。
但是，所述以往的包覆形成有Ti-Al系复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨性比较优异，但是当在高速断续切削条件下使用时容易产生崩刀等异常磨损，因此关于改善硬质包覆层提出了各种方案。
例如，专利文献1中提出有如下内容：将TiCN层及Al2O3层作为内层，通过化学蒸镀法在其上面包覆立方晶结构或包含六方晶结构的立方晶结构的(Ti1-xAlx)N层(其中，x为0.65～0.9)作为外层，并且在该外层赋予100～1100MPa的压缩应力，由此改善包覆工具的耐热性及疲劳强度。
并且，专利文献2中公开有具备工具基体及在该基体上所形成的硬质包覆层的表面包覆切削工具，其中，硬质包覆层包含：Al或Cr中的任一种或两种元素；选自由周期表4a、5a、6a族元素及Si构成的组中的至少一种元素；由选自由碳、氮、氧及硼构成的组中的至少一种元素构成的化合物；及氯，从而显著提高硬质包覆层的耐磨性及耐氧化性。
并且，在专利文献3中记载有如下内容：在TiCl4、AlCl3、NH3的混合反应气体中，在650～900℃的温度范围内进行化学蒸镀，从而能够蒸镀形成Al的含有比例x值为0.65～0.95的(Ti1-xAlx)N层，但该文献中的目的在于通过在该(Ti1-xAlx)N层上进一步包覆Al2O3层，由此提高隔热效果，但没有公开通过形成将x值提高至0.65～0.95的(Ti1-xAlx)N层而对切削性能带来什么样的影响。
专利文献1：日本专利公表2011-513594号公报(A)
专利文献2：日本专利公开2006-82207号公报(A)
专利文献3：日本专利公表2011-516722号公报(A)
近年来，对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求增加，随之，切削加工有进一步高速化、高效率化的趋势，对包覆工具进一步要求耐崩刀性、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中记载的包覆工具具有规定的硬度且耐磨性优异，但韧性差，因此在提供于合金钢的高速断续切削加工等时，容易产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，存在不能说发挥令人满意的切削性能的问题。
并且，专利文献2中记载的包覆工具的意图在于提高耐磨性及耐氧化特性，但在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问题。
另一方面，关于所述专利文献3中记载的通过化学蒸镀法蒸镀形成的(Ti1-xAlx)N层，能够提高Al含有比例x，并且能够形成立方晶结构，因此虽然可获得具有规定的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且韧性差的问题。
于是，本申请发明要解决的技术课题即本申请发明的目的在于提供一种即使在提供于合金钢、碳钢及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。
发明内容
于是，本发明人等从所述观点出发，为了改善通过化学蒸镀来蒸镀形成至少包含Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物(以下，有时由“(Ti、Al)(C、N)”或“(Ti1-xAlx)(CyN1-y)”表示)的硬质包覆层的包覆工具的耐崩刀性、耐磨性，经过重复进行深入的研究，结果得出如下见解。
即，以往的至少包含1层(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层且具有规定的平均层厚的硬质包覆层中，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层在垂直于工具基体的方向上呈柱状形成的情况下具有较高的耐磨性。相反，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的各向异性越高，(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的韧性越降低，其结果，耐崩刀性、耐缺损性降低，且在长期使用中无法发挥充分的耐磨性，并且不能说工具寿命也令人满意。
于是，本发明人等对构成硬质包覆层的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层进行深入研究的结果，使硬质包覆层含有选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素(以下，由“Me”表示。)且以具有NaCl型面心立方结构的晶粒为主来构成(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层，且通过在立方晶相内形成Ti、Al、Me的周期性浓度变化(含有比例)这一全新的构思，成功地在立方晶粒内产生应变，并提高硬度和韧性，其结果，得出可提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性的全新的见解。具体而言，硬质包覆层至少包含平均层厚1～20μm的Ti、Al、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，且由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg(其中，Xavg、Yavg、Zavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005及0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层包含具有NaCl型面心立方结构的晶粒(或还包含具有纤锌矿型六方晶结构的晶粒)，对所述复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的晶体方位，使用电子背散射衍射装置从纵剖面方向进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计显示所述倾斜角度数分布中的所有度数的35％以上的比例，在所述NaCl型面心立方结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化(含有比例)(即，x、y、z并非恒定值，而是周期性变化的值)，在将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin的情况下，Xmax与Xmin之差Δx为0.03～0.25，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该工具基体表面的法线方向的周期为3～100nm，因此在具有NaCl型面心立方结构的晶粒内产生应变，与以往的硬质包覆层相比，(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层的硬度和韧性提高，其结果发现耐崩刀性、耐缺损性提高，且长时间发挥优异的耐磨性。
而且，如前所述结构的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层能够通过例如在工具基体表面使反应气体组成周期性变化的以下的化学蒸镀法而成膜。
对所使用的化学蒸镀反应装置，将由NH3、N2、H2构成的气体组A和由TiCl4、Al(CH3)3、AlCl3、MeCln(Me的氯化物)、NH3、N2、H2构成的气体组B分别从各自的供气管向反应装置内的供给，气体组A和气体组B向反应装置内的供给例如以恒定周期的时间间隔，以气体的流通时间比该周期短的方式进行供给，以使在气体组A和气体组B的供气中产生比气体供给时间短的时间的相位差，从而能够使工具基体表面中的反应气体组成随时间变化为(I)气体组A、(II)气体组A和气体组B的混合气体及(III)气体组B。并且，在本申请发明中无需导入用于进行严格的气体置换的长时间的排气工序。从而，作为供气方法也可以通过以下方式实现：例如使供气口旋转，或者使工具基体旋转，或者使工具基体往复移动，从而使工具基体表面中的反应气体组成随时间变化为(I)以气体组A为主的混合气体、(II)气体组A和气体组B的混合气体、(III)以气体组B为主的混合气体。
在工具基体表面，使反应气体组成(相对于气体组A及气体组B的总和的容量％)例如在气体组A中为NH3：3.5～4.0％、H2：65～75％，在气体组B中为AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％、MeCln(Me的氯化物)：0.1～0.2％、Al(CH3)3：0～0.5％、N2：0.0～12.0％、H2：剩余部分，且设为反应气氛压力：4.5～5.0kPa、反应气氛温度：700～900℃、供给周期1～5秒、每1周期的气体供给时间0.15～0.25秒、气体供给A和气体供给B的相位差0.10～0.20秒，并经规定时间进行热CVD法，从而将规定的目标层厚的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层成膜。
如前所述，以气体组A和气体组B到达工具基体表面的时间上产生差异的方式进行供给，作为气体组A中的氮原料气体设定为NH3：3.5～4.0％，并设定为气体组B中的金属氯化物原料或碳原料即AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％、MeCln(Me的氯化物)：0.1～0.2％、Al(CH3)3：0～0.5％，从而在晶粒内因导入局部组成的不均、位错或点缺陷而形成晶格的局部应变，另外，可以使晶粒的工具基体表面一侧和皮膜表面一侧的{110}取向的程度发生变化。其结果，发现在维持耐磨性的同时韧性显著提高。其结果，发现尤其耐缺损性、耐崩刀性提高，且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的情况下，硬质包覆层在长时间使用中可发挥优异的切削性能。
本申请发明是根据所述见解而完成的，其具有以下方式。
(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一种构成的工具基体的表面形成有硬质包覆层，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平均层厚1～20μm的Ti、Al、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，在由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下，复合氮化物或复合碳氮化物的层中，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg(其中，Xavg、Yavg、Zavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，
(b)所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的相，
(c)对所述复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的晶体方位，使用电子背散射衍射装置，从纵剖面方向进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计显示出所述倾斜角度数分布中的所有度数的35％以上的比例，
(d)并且，在具有所述NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒内存在组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，在将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin的情况下，Xmax与Xmin之差Δx为0.03～0.25，
(e)在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该工具基体表面的法线方向的周期为3～100nm。
(2)根据所述(1)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Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，沿该方位的周期为3～100nm，在与该方位正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXo为0.01以下。
(3)根据所述(1)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Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，在晶粒内存在如下区域A及区域B，所述区域A和区域B的边界形成于由{110}表示的等价的晶面中的一个面，
(a)区域A：沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，若将该方位设为方位dA，则沿方位dA的周期为3～100nm，在与方位dA正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodA为0.01以下，
(b)区域B：沿与方位dA正交的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，若将该方位设为方位dB，则沿方位dB的周期为3～100nm，在与方位dB正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodB为0.01以下。
(4)根据所述(1)至所述(3)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，由X射线衍射求出具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a，所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN的晶格常数aTiN和立方晶AlN的晶格常数aAlN满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系。
(5)根据所述(1)至所述(4)中任一个所述的表面包覆切削工具，其特征在于，关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有该层内的具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me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0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织。
(6)根据所述(1)至所述(5)中任一个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中，具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的面积比例为70面积％以上。
(7)根据所述(1)至所述(6)中任一个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一种构成的工具基体与所述Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间，存在包含Ti化合物层的下部层，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1层或2层以上构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚。
(8)根据所述(1)至所述(7)中任一个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，至少包含氧化铝层的上部层以1～25μm的合计平均层厚存在。
(9)根据所述(1)至所述(8)中任一个所述的表面包覆切削工具的制造方法，其特征在于，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少含有作为反应气体成分的三甲基铝并通过化学蒸镀法而成膜。
另外，作为本申请发明的一方式的表面包覆切削工具中的硬质包覆层(以下，称为“本发明的硬质包覆层”)将如前所述的复合氮化物或复合碳氮化物的层作为其基本结构，但当然可以进一步通过与以往已知的所述(7)的下部层或所述(8)的上部层等并用，从而与复合氮化物或复合碳氮化物的层发挥的效果相结合，实现更优异的特性。
以下对本申请发明进行详细说明。
构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的平均层厚：
图1中示出构成本发明的硬质包覆层的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的剖面示意图。
本发明的硬质包覆层至少包含被化学蒸镀的由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2。该复合氮化物或复合碳氮化物的层2硬度高且具有优异的耐磨性，尤其在平均层厚为1～20μm时显著发挥其效果。其理由在于，若平均层厚小于1μm，则因层厚较薄而在长期使用中无法充分确保耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过20μm，则Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。从而将其平均层厚确定为1～20μm。
虽然不是特别需要限定的构成，但更优选平均层厚为3～15μm。进一步优选平均层厚为4～10μm。
构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的组成：
本发明的构成硬质包覆层的复合氮化物或复合碳氮化物的层2中，在由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下(其中，Me为选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素)，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg(其中，Xavg、Yavg、Zavg均为原子比)分别控制成满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95。
其理由在于，若Al的平均含有比例Xavg小于0.60，则Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的硬度差，因此在提供于合金钢等的高速断续切削时耐磨性不充分。
并且，若Me的平均含有比例Yavg小于0.005，则Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的硬度差，因此在提供于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，则因向晶界的Me的偏析等Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的韧性降低，在提供于合金钢等的高速断续切削时耐崩刀性不充分。从而，Me的平均含有比例Yavg确定为0.005≤Yavg≤0.10。
另一方面，若Al的平均含有比例Xavg与Me的平均含有比例Yavg之和Xavg+Yavg小于0.605，则Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的硬度差，因此在提供于合金钢等的高速断续切削时耐磨性不充分，若超过0.95，则相对地Ti的含有比例减少，因此将导致脆化且耐崩刀性降低。从而，Al的平均含有比例Xavg与Me的平均含有比例Yavg之和Xavg+Yavg确定为0.605≤Xavg+Yavg≤0.95。
在此，作为Me的具体成分，使用选自Si、Zr、B、V、Cr中的一种元素。
作为Me，在以使Yavg成为0.005以上的方式使用了Si成分或B成分的情况下，复合氮化物或复合碳氮化物的层2的硬度提高，因此实现耐磨性的提高，且Zr成分具有强化晶界的作用，并且，V成分提高韧性，从而实现耐崩刀性的更进一步的提高，Cr成分提高耐氧化性，从而可期待工具寿命的更进一步的长寿命化。然而，任一成分，若平均含有比例Yavg超过0.10，则相对地Al成分、Ti成分的平均含有比例均会减少，从而耐磨性或耐崩刀性将显示降低趋势，因此应避免成为如Yavg超过0.10的平均含有比例。
并且，在复合氮化物或复合碳氮化物的层2中所包含的C的平均含有比例(原子比)Zavg为0≤Zavg≤0.005范围的微量时，复合氮化物或复合碳氮化物的层2与工具基体3或下部层的粘附性提高且润滑性提高，从而减缓切削时的冲击，其结果复合氮化物或复合碳氮化物的层2的耐缺损性及耐崩刀性提高。另一方面，若C的平均含有比例Zavg在0≤Zavg≤0.005的范围之外，则因复合氮化物或复合碳氮化物的层2的韧性降低而耐缺损性及耐崩刀性反而降低，因此不优选。从而C的平均含有比例Zavg确定为0≤Zavg≤0.005。
虽然不是特别需要限定的构成，但更优选Xavg、Yavg及Zavg分别为0.70≤Xavg≤0.85、0.01≤Yavg≤0.05、0≤Zavg≤0.003、0.7≤Xavg+Yavg≤0.90。
Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2((Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层)内的具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶面即{110}面的倾斜角度数分布：
关于本发明的所述(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层，若使用电子背散射衍射装置，从纵剖面方向对具有NaCl型面心立方结构的各晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线6相对于工具基体表面的法线5(与剖面研磨面中的工具基体表面4垂直的方向)所成的倾斜角(参考图2A及图2B)，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分，并合计存在于各分区内的度数时，当显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计在所述倾斜角度数分布中成为所有度数的35％以上的比例的倾斜角度数分布形式时，由所述Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2构成的硬质包覆层在维持NaCl型面心立方结构的同时具有高硬度，而且根据如上所述的倾斜角度数分布形式，硬质包覆层与基体的粘附性显著提高。
从而，这种包覆工具在例如合金钢的高速断续切削等中使用的情况下，也可以抑制崩刀、缺损、剥离等的产生，而且发挥优异的耐磨性。
图3A及图3B中，作为图表示出关于本发明的一实施方式及用于比较的具有立方晶结构的晶粒利用上述的方法进行测定，而求出的倾斜角度数分布的一例。
构成复合氮化物或复合碳氮化物的层2的具有NaCl型面心立方结构(以下，简称为“立方晶”)的晶粒：
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中的各立方晶粒，在从与工具基体表面4垂直的皮膜剖面一侧进行观察测定的情况下，将与工具基体表面4平行的方向的粒子宽度设为w，并且将与工具基体表面4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，在将关于各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，将关于各晶粒求出的粒子宽度w的平均值设为平均粒子宽度W的情况下，优选控制为平均粒子宽度W满足0.1～2.0μm，平均纵横尺寸比A满足2～10。
当满足该条件时，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层2的立方晶粒成为柱状组织，显示出优异的耐磨性。另一方面，若平均纵横尺寸比A低于2，则在NaCl型面心立方结构的晶粒内不易形成本发明的特征即组成的周期性分布(浓度变化、含有比例变化)，若成为超出10的柱状晶，则龟裂容易以在沿本发明的特征即立方晶相内的组成的周期性分布的面与多个晶界延伸的方式成长，因此不优选。并且，若平均粒子宽度W小于0.1μm则耐磨性降低，若超过2.0μm则韧性降低。从而构成复合氮化物或复合碳氮化物的层2的立方晶粒的平均粒子宽度W优选为0.1～2.0μm。
虽然不是特别需要限定的构成，但更优选平均纵横尺寸比为4～7及平均粒子宽度W为0.7～1.5μm。
在具有立方晶结构的晶粒内存在的Ti、Al、Me的浓度变化：
图4中，作为示意图示出关于本发明的硬质包覆层所包含的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层(以下，称为“本发明的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层”)的具有立方晶结构的晶粒，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，与该方位正交的面内的Al的含有比例x的变化较小的情况。
并且，图5中示出在本发明的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物的层的剖面中，关于存在Ti、Al、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)的射线分析的结果的相对于Ti、Al、Me的合计的Al的周期性浓度变化x的图表的一例。
在将具有立方晶结构的晶体由组成式：(Ti1-x-yAlxSiy)(CzN1-z)表示的情况下，当在晶粒内存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化时(即，当x、y、z并非为恒定值,而是周期性变化的值时)，晶粒内产生应变，且硬度提高。然而，在将Ti、Al、Me的浓度变化的大小的指标即所述组成式中的Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值11a、11b、11c、……的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值12a、12b、12c、12d……的平均值设为Xmin的情况下，若Xmax与Xmin之差Δx小于0.03，则前述的晶粒的应变较小而无法期望充分的硬度提高。另一方面，若Xmax与Xmin之差Δx超过0.25，则晶粒的应变变得过大，晶格缺陷变大，从而硬度降低。于是，关于在具有立方晶结构的晶粒内存在的Ti、Al、Me的浓度变化，将Xmax与Xmin之差设为0.03～0.25。
虽然不是特别需要限定的构成，但更优选Xmax与Xmin之差为0.05～0.22。进一步更优选为0.08～0.15。
并且，在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒中，在沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的情况下，不易产生由晶粒的应变引起的晶格缺陷，从而韧性提高。
并且，在与所述的存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的方位正交的面内Ti、Al、Me的浓度实际上不发生变化，且在上述正交的面内的Al在Ti、Al、Me的总量中所占的含有比例x的变化量的最大值ΔXo为0.01以下。
并且，若沿所述立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位的浓度变化的周期小于3nm则韧性降低，若超过100nm则不能充分发挥硬度提高的效果。从而，更优选的所述浓度变化的周期为3～100nm。
虽然不是特别需要限定的构成，但更优选所述浓度变化的周期为15～80nm。进一步更优选为25～50nm。
图6中作为示意图示出在本发明的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层的剖面中，关于存在Ti、Al、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A13和区域B14的情况。
关于在正交的2个方向上存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的、在晶粒内存在区域A13和区域B14的晶粒，因晶粒内存在2个方向的应变而韧性提高。而且，因区域A和区域B的边界15形成于由{110}表示的等价的晶面中的一个面，而区域A和区域B的边界15不产生失配，因此能够维持较高的韧性。
即，在形成有如下区域A13和区域B14的情况下，因在晶粒内存在2个方向的应变而韧性提高，进而，因区域A和区域B的边界15形成于由{110}表示的等价的晶面中的一个面，而区域A和区域B的边界15不会产生失配，因此能够维持较高的韧性。区域A13，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，当将该方位设为方位dA时，沿方位dA的周期为3～100nm，与方位dA正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodA为0.01以下；区域B14，沿与方位dA正交的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，当将该方位设为方位dB时，沿方位dB的周期为3～100nm，与方位dB正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodB为0.01以下。
复合氮化物或复合碳氮化物的层内的立方晶粒的晶格常数a：
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层2，在使用X射线衍射装置将Cu-Kα射线作为射线源而实施X射线衍射试验，并求出立方晶粒的晶格常数a时，在所述立方晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN(JCPDS00-038-1420)的晶格常数aTiN：和立方晶AlN(JCPDS00-046-1200)的晶格常数aAlN：满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系时，显示出更高的硬度，且显示出较高的热传导性，从而具备优异的耐磨性且优异的耐热冲击性。
在由复合氮化物或复合碳氮化物的层2内的具有立方晶结构的各晶粒构成的柱状组织的面积比例：
若由具有立方晶结构的各晶粒构成的柱状组织的面积比例低于70面积％，则相对地硬度降低，因此不优选。
虽然不是特别需要限定的构成，但优选由具有立方晶结构的各晶粒构成的柱状组织的面积比例为85面积％以上。更优选为95面积％以上。
并且，关于本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层2，即使在包含作为下部层、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1层或2层以上构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚的Ti化合物层的情况下，和/或在作为上部层包含具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层的情况下，也能够通过不破坏前述的特性而并用这些公知的下部层和上部层等，并与这些层发挥的效果相结合，实现更优异的特性。在作为下部层包含由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1层或2层以上构成的Ti化合物层的情况下，若Ti化合物层的合计平均层厚超过20μm，则晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。并且，在作为上部层包含氧化铝层的情况下，若氧化铝层的合计平均层厚超过25μm，则晶粒容易粗大化，且容易产生崩刀。另一方面，若下部层薄于0.1μm，则无法期待与本发明的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的下部层的粘附性提高的效果，并且，若上部层薄于1μm，则通过形成上部层而使耐磨性提高的效果并不显著。
本发明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一种构成的工具基体表面设置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平均层厚为1～20μm的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2，且在由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg(其中，Xavg、Yavg、Zavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，复合氮化物或复合碳氮化物的层2至少包含具有NaCl型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)，且使用电子背散射衍射装置从纵剖面方向对具有所述立方晶结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线6相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中，将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计在所述倾斜角度数分布中的所有度数的35％以上的比例，在具有立方晶结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，在将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin的情况下，Xmax与Xmin之差Δx为0.03～0.25，在存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该工具基体表面的法线方向的周期为3～100nm，从而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产生应变，因此晶粒的硬度提高，保持较高的耐磨性且韧性提高。
其结果，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，可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1的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的剖面的膜结构示意图。水平方向的条纹图案表示由Ti、Al、Me构成的复合氮化物或复合碳氮化物的层中的晶粒内的Al的周期性含有比例变化。
图2A是表示作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线相对于工具基体表面的法线5(与剖面研磨面中的工具基体表面4垂直的方向)所成的倾斜角为0度的情况6的示意图。
图2B是表示作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线相对于工具基体表面的法线5(与剖面研磨面中的工具基体表面4垂直的方向)所成的倾斜角为45度的情况7的示意图。
图3A是表示在构成本发明的硬质包覆层1的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层2的剖面中，关于具有立方晶结构的晶粒求出的倾斜角度数分布的一例的图表。
图3B是表示在比较例的一实施方式即构成硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层2的剖面中，关于具有立方晶结构的晶粒求出的倾斜角度数分布的一例的图表。
图4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1的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层2的剖面中，关于存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有立方晶结构的晶粒，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位(以箭头表示)存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，且与该方位正交的面(以与箭头正交的线表示从正上方观察的面)内的Al的含有比例x的变化较小的情况的示意图。具体而言，在正交的面内的Al的含有比例x的变化为0.01以下。色调较亮的部分表示Al的含量相对较多的区域9，色调较暗的部分表示Al的含量相对较少的区域10。
图5是表示在构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层1的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层2的剖面中，关于存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有立方结构的晶粒，使用透射型电子显微镜并通过能量分散型X射线光谱法(EDS)进行射线分析的结果的相对于Ti、Al、Me的合计的Al的周期性浓度变化x的图表的一例的图。具体而言，表示复合氮化物层或复合碳氮化物层2中的具有立方晶结构的晶粒内的Al的周期性浓度变化。在图表中，示出有3个极大值11a、11b及11与4个极小值12a、12b、12c及12d。
图6是示意地表示构成相当于本发明的一实施方式的硬质包覆层1的Ti、Al、Me的复合氮化物层或复合碳氮化物层2的剖面中，关于存在Ti、Al、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A13和区域B14的情况的示意图。在区域A13和区域B14接触的部分形成区域A和区域B的边界15。
具体实施方式
本发明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一种构成的工具基体3的表面设置有硬质包覆层1的表面包覆切削工具中，硬质包覆层1至少包含通过化学蒸镀法成膜的平均层厚1～20μm的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2，且由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg(其中，Xavg、Yavg、Zavg均为原子比)分别满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，构成复合氮化物或复合碳氮化物的层2的晶粒至少包含具有立方晶结构的晶粒，并在使用电子背散射衍射装置从纵剖面方向对具有所述立方晶结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的晶体方位进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线6相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中，将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计显示出所述倾斜角度数分布中的所有度数的35％以上的比例，在具有立方晶结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，在将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin的情况下，Xmax与Xmin之差Δx为0.03～0.25，在存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，具有沿该工具基体表面的法线方向的周期为3～100nm这一结构，从而耐崩刀性提高，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，并且只要实现包覆工具的长寿命化，其具体实施方式可以是任意方式。
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，进而添加石蜡后在丙酮中用球磨机混合24小时，在进行减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，对该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，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，并用球磨机进行24小时的湿式混合，在进行干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，对该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃保持1小时的条件下进行烧结，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，对这些工具基体A～D的表面，使用化学蒸镀装置并通过如下步骤制造出本发明包覆工具1～15。
(a)表4所示的形成条件即作为由NH3和H2组成的气体组A、由TiCl4、Al(CH3)3、AlCl3、MeCln(其中，SiCl4、ZrCl4、BCl3、VCl4、CrCl2中的任一个)、NH3、N2、H2构成的气体组B及各种气体的供给方法，将反应气体组成(相对于气体组A及气体组B的总和的容量％)设为在气体组A中NH3：3.5～4.0％、H2：65～75％，在气体组B中AlCl3：0.6～0.9％、TiCl4：0.2～0.3％、Al(CH3)3：0～0.5％、MeCln(其中，SiCl4、ZrCl4、BCl3、VCl4、CrCl2中的任一个)：0.1～0.2％、N2：0.0～12.0％、H2：剩余部分，设为反应气氛压力：4.5～5.0kPa、反应气氛温度：700～900℃、供给周期1～5秒、每1周期的气体供给时间0.15～0.25秒、气体供给A和气体供给B的相位差0.10～0.20秒，并以规定时间进行热CVD法，形成由具有表7所示目标层厚的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层构成的硬质包覆层1。
另外，关于本发明包覆工具6～13，在表3所示的形成条件下形成了表6所示的下部层、上部层中的任一层。
并且，以比较为目的，对工具基体A～D的表面以表5所示的条件且表8所示的目标层厚(μm)，蒸镀形成了包含Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的硬质包覆层1。此时，在(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层的成膜工序中，以工具基体表面中的反应气体组成不会随时间变化的方式形成硬质包覆层1，从而制造出比较包覆工具1～15。
另外，与本发明包覆工具6～13同样，关于比较包覆工具6～13，在表3所示的形成条件下，形成了表6所示的下部层、上部层中的任一层。
关于构成所述本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15的硬质包覆层1的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2，在将与工具基体表面4垂直的方向的硬质包覆层1的剖面作为研磨面的状态下，设置于场发射扫描型电子显微镜的镜筒内，在所述研磨面上，以70度的入射角度，将15kV的加速电压的电子射线以1nA的照射电流照射于在所述剖面研磨面的测定范围内存在的具有立方晶格的各晶粒，并使用电子背散射衍射图像装置，对于与工具基体表面4水平的方向上长度为100μm、且沿与工具基体表面4垂直的方向的剖面在膜厚以下的距离的测定范围内的该硬质包覆层1，以0.01μm/step的间隔，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线6相对于基体表面的法线5(与剖面研磨面中的基体表面4垂直的方向)所成的倾斜角，根据该测定结果，在所述测定倾斜角中，将在0～45度范围内的测定倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数，由此确认存在于0～12度范围内的度数的峰值的存在，且求出在0～12度范围内存在的度数的比例。
并且，关于构成所述本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15的硬质包覆层1的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)经多个视场进行了观察。
关于本发明包覆工具1～15，如在图1示出的膜结构示意图所示，确认到包含立方晶或立方晶和六方晶的混合相的柱状组织的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层。并且，使用透射型电子显微镜并通过基于能量分散型X射线光谱法(EDS)的表面分析进一步确认到在立方晶粒内存在有Ti、Al、Me的周期性分布(浓度变化、含有比例变化)。
而且，关于本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15，利用使用透射型电子显微镜并通过EDS进行表面分析的结果，且将复合氮化物或复合碳氮化物的层2中所存在的立方晶粒的5周期份的x的周期中的x的极大值的平均值设为Xmax，并且将同样为5周期份的x的周期中的x的极小值的平均值设为Xmin，求出其差Δx(＝Xmax-Xmin)。
关于本发明包覆工具1～15，确认到该值Δx为0.03～0.25。
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1～15及比较包覆工具1～15的各结构层的与工具基体垂直方向的剖面，测定观察视场内的5个点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实际上与表7、表8所示的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的平均Al含有比例、平均Me含有比例，使用电子探针显微分析仪(EPMA，Electron-Probe-Micro-Analyser)，在研磨了表面的样品中，从样品表面一侧照射电子射线，由所得到的特性X射线的分析结果的10个点平均值求出Al的平均Al含有比例Xavg及Me的平均含有比例Yavg。
并且，通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy)求出平均C含有比例Zavg。从样品表面一侧，在70μm×70μm的范围内照射离子束，对通过溅射作用而释放出的成分测定了深度方向的浓度。平均C含有比例Zavg表示关于Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2的深度方向的平均值。其中，C的含有比例中，排除了即使有意不使用作为气体原料的包含C的气体也会包含在内的不可避免的C的含有比例。具体而言，求出将Al(CH3)3的供给量设为0时的复合氮化物或复合碳氮化物的层2中所包含的C成分的含有比例(原子比)作为不可避免的C的含有比例，将从有意供给了Al(CH3)3的情况下得到的复合氮化物或复合碳氮化物的层2中所包含的C成分的含有比例(原子比)中减去所述不可避免的C的含有比例的值作为Zavg而求出。
并且，关于本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15，从与工具基体垂直的方向的剖面方向使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍及20000倍)，对于在与工具基体表面4水平的方向上的长度为10μm的范围内存在的、构成复合氮化物或复合碳氮化物的层2的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层中的各晶粒，从与工具基体表面4垂直的皮膜剖面一侧进行观察，测定与基体表面4平行的方向的粒子宽度w、与基体表面4垂直的方向的粒子长度l，算出各晶粒的纵横尺寸比a(＝l/w)，并且算出关于各晶粒求出的纵横尺寸比a的平均值而作为平均纵横尺寸比A，并且算出关于各晶粒求出的粒子宽度w的平均值而作为平均粒子宽度W。
并且，使用电子背散射衍射装置，在将由Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2构成的硬质包覆层1的与工具基体表面4垂直的方向的剖面作为研磨面的状态下，设置于场发射扫描型电子显微镜的镜筒内，在所述研磨面上，以70度的入射角度，将15kV的加速电压的电子射线以1nA的照射电流照射于在所述剖面研磨面的测定范围内存在的各晶粒，关于在与工具基体表面4水平方向上的长度为100μm的范围的由Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2构成的硬质包覆层整体，以0.01μm/step的间隔测定电子背散射衍射图像，并解析各晶粒的晶体结构，从而鉴定是否为立方晶结构或六方晶结构，在Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层2中，确认到包含立方晶的复合氮化物或复合碳氮化物的相，并且，求出该层中所包含的立方晶相所占的面积比例。
而且，使用透射型电子显微镜观察复合氮化物或复合碳氮化物的层2的微小区域，并使用能量分散型X射线光谱法(EDS)从剖面一侧进行表面分析的结果，对具有所述立方晶结构的晶粒内有无存在组成式：(Ti1-x-yAlxSiy)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化进行了确认。当存在该浓度变化时，通过对该晶粒进行电子射线衍射，确认到沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，沿该方位在5周期份的区间进行基于EDS的射线分析，求出Al相对于Ti、Al、Me的合计的周期性浓度变化的极大值的平均值而作为Xmax，并且求出同区间的Al相对于Ti、Al、Me的合计的周期性浓度变化的极小值的平均值而作为Xmin，并求出其差Δx(＝Xmax-Xmin)。
并且，在相当于所述5个周期的距离的区间内，进行沿与存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位正交的方向的射线分析，并将在该区间中的Al的含有比例x的最大值与最小值之差作为与存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位正交的面内的变化量的最大值ΔXo而求出。
而且，关于在晶粒内存在区域A13和区域B14的晶粒，分别对区域A13和区域B14，与前述同样地，求出Al相对于Ti、Al、Me的合计的5个周期的周期性浓度变化的极大值的平均值Xmax与极小值的平均值的值Xmin之差的最大值Δx(＝Xmax-Xmin)，并且求出与存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中一个方位正交的面内中的Al相对于Ti、Al、Me的合计的含有比例x的最大值与最小值之差而作为变化量的最大值。
即，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在区域A13的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，并在将该方位设为方位dA的情况下，求出沿方位dA的浓度变化的周期，并且在相当于所述5个周期的距离的区间内，进行沿与方位dA正交的方向的射线分析，求出在该区间中的Al的含有比例x的最大值与最小值之差而作为与存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中一个方位正交的面内的变化量的最大值ΔXodA。
并且，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在区域B14的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，并在将该方位设为方位dB的情况下，求出沿方位dB的浓度变化的周期，并且在相当于所述5个周期的距离的区间内，进行沿与方位dB正交的方向的射线分析，求出在该区间中的Al的含有比例x的最大值与最小值之差而作为与存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位正交的面内的变化量的最大值ΔXodB。
并且，关于本发明包覆工具1～15，确认到dA与dB正交且区域A和区域B的边界15形成于由{110}表示的等价的晶面中的一个面。
这种周期的确认是通过使用透射型电子显微镜观察复合氮化物或复合碳氮化物的层2的微小区域的视场中的最少1个该晶粒中进行的。并且，通过算出分别对使用透射型电子显微镜观察复合氮化物或复合碳氮化物的层2的微小区域的视场中的最少1个该晶粒的该区域A13及区域B14进行评价的值的平均，求出在晶粒内存在的区域A13和区域B14的晶粒。
表7及表8中示出上述的各种测定结果。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
[表6]
[表7]
[表8]
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均夹紧于刀具直径125mm的工具钢制刀具前端部的状态下，对本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15实施以下所示的合金钢的高速断续切削的一种即干式高速正面铣削及中心切割式切削加工试验，测定出切削刃的后刀面磨损宽度。
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的块体材料；
转速：980min-1；
切削速度：385m/min；
切深量：1.2mm；
单刀进给量：0.12mm/刀；
切削时间：8分钟；
表9中示出切削加工试验结果。
[表9]
比较包覆工具栏中的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
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10所示的配合组成，进而添加石蜡后在丙酮中用球磨机混合24小时，在进行减压干燥之后，以98MPa的压力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小时的条件下进行真空烧结，在烧结之后，对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工，从而分别制造出具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体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11所示配合组成，用球磨机进行湿式混合24小时，在干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中以温度：1500℃保持1小时的条件下进行烧结，在烧结之后，对切削刃部分实施R：0.09mm的刃口修磨加工，从而形成了具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体δ。
接着，对这些工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用化学蒸镀装置并通过与实施例1相同的方法，在表4所示的形成条件下，以规定时间进行热CVD法，由此将表13所示的(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层成膜，从而制造出本发明包覆工具16～30。
另外，关于本发明包覆工具19～28，在表3所示的形成条件下形成了表12所示的下部层、上部层。
并且，以比较为目的，同样对工具基体α～γ及工具基体δ的表面，使用化学蒸镀装置，以表5所示的条件且表14所示的目标层厚，与本发明包覆工具相同地蒸镀形成硬质包覆层，从而制造出表14所示的比较包覆工具16～30。
另外，与本发明包覆工具19～28相同，关于比较包覆工具19～28，在表3所示的形成条件下形成了表12所示的下部层、上部层。
并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)，对本发明包覆工具16～30及比较包覆工具16～30的各结构层的剖面进行测定，测定观察视场内的5个点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实际上与表13、表14所示的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于所述本发明包覆工具16～30及比较包覆工具16～30的硬质包覆层，利用与实施例1所示的方法相同的方法，求出平均Al含有比例Xavg、平均Me含有比例Yavg、平均C含有比例Zavg、倾斜角度数分布、周期性浓度变化差Δx(＝Xmax-Xmin)和周期、晶格常数a、晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A及晶粒中的立方晶相所占的面积比例。
表13、表14中示出其结果。
[表10]
[表11]
[表12]
[表13]
[表14]
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具16～30及比较包覆工具16～30，实施如下所示的合金钢的干式高速断续切削试验及铸铁的湿式高速断续切削试验，均测定出切削刃的后刀面磨损宽度。
切削条件1：
工件：JIS·S45C的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒；
切削速度：380m/min；
切深量：1.5mm；
进给量：0.15mm/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·FCD700的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒；
切削速度：330m/min；
切深量：1.0mm；
进给量：0.1mm/rev；
切削时间：5分钟；
(通常的切削速度为200m/min)，
表15中示出所述切削试验的结果。
[表15]
比较包覆工具栏中的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
实施例3
作为原料粉末均准备具有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、Al2O3粉末，将这些原料粉末配合成表16所示的配合组成，用球磨机进行湿式混合80小时，在干燥之后，以120MPa的压力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℃范围内的规定温度保持60分钟的条件下进行烧结，从而作为切削刃片用备用烧结体，在将该备用烧结体与另外准备的Co：8质量％、WC：剩余部分的组成、以及具有直径：50mm×厚度：2mm的尺寸的WC基硬质合金制支撑片重合的状态下装入通常的超高压烧结装置中，在通常条件下即在压力：4GPa、温度：1200～1400℃范围内的规定温度及保持时间：0.8小时的条件下进行超高压烧结，使用金刚石砂轮对烧结后的上下表面进行研磨，并利用电火花线切割加工装置分割成规定的尺寸，进而对具有Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：剩余部分的组成及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)，使用具有以质量％计的由Zr：37.5％、Cu：25％、Ti：剩余部分构成的组成的Ti-Zr-Cu合金的钎料来进行钎焊，以规定尺寸进行外周加工之后，对切削刃部实施宽度：0.13mm、角度：25°的刃口修磨加工，进而实施精研磨，从而分别制造出具有ISO标准CNGA120412的刀片形状的工具基体2A、2B。
[表16]
接着，在这些工具基体2A、2B的表面，使用化学蒸镀装置，并通过与实施例1相同的方法，在表4所示的条件下，以目标层厚蒸镀形成包含(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层的硬质包覆层，从而制造出表18中示出的本发明包覆工具31～40。
另外，关于本发明包覆工具34～39，在表3所示的形成条件下形成了表17所示的下部层、上部层。
并且，以比较为目的，同样在工具基体2A、2B的表面，使用化学蒸镀装置，在表5所示的条件下，以目标层厚蒸镀形成包含(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)层的硬质包覆层，从而制造出表19中示出的比较包覆工具31～40。
另外，与本发明包覆工具34～39相同地，关于比较包覆工具34～39，在表3中示出的形成条件下形成了表17所示的下部层、上部层。
并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)，对本发明包覆工具31～40及比较包覆工具31～40的各结构层的剖面进行测定，测定观察视场内的5个点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实际上与表18、19中示出的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于所述本发明包覆工具31～40及比较包覆工具31～40的硬质包覆层，使用与实施例1所示的方法相同的方法，求出平均层厚、平均Al含有比例Xavg、平均Me含有比例Yavg、平均C含有比例Zavg、倾斜角度数分布、周期性浓度变化差Δx(＝Xmax-Xmin)和周期、晶格常数a、晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A及晶粒中的立方晶相所占的面积比例。
表18、19中示出其结果。
[表17]
[表18]
[表19]
接着，在利用固定夹具将各种包覆工具均紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具31～40及比较包覆工具31～40实施如下所示的渗碳淬火合金钢的干式高速断续切削加工试验，测定出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)的沿长度方向等间隔配置有4根带纵槽圆棒，
切削速度：250m/min，
切深量：0.12mm，
进给量：0.12mm/rev，
切削时间：4分钟，
表20中示出所述切削试验的结果。
[表20]
比较包覆工具、参考包覆工具栏中的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
实施例4
与实施例1相同，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，进而添加石蜡后在丙酮中用球磨机混合24小时，在进行减压干燥之后，以98MPa的压力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小时的条件下进行真空烧结，在烧结之后，分别制造出具有ISO标准SEEN1203AFSN的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A～C。
接着，对这些工具基体A～C的表面，使用化学蒸镀装置，并通过与实施例1相同的方法，在表4所示的形成条件下，以规定时间进行热CVD法，由此将表23所示的(Ti1-x- yAlxMey)(CzN1-z)层成膜，从而制造出本发明包覆工具41～55。
另外，关于本发明包覆工具45～52，在表3所示的形成条件下形成了表22所示的下部层、上部层。
并且，以比较为目的，同样对工具基体A～C的表面，使用化学蒸镀装置，以表21所示的条件且表24所示的目标层厚，与本发明包覆工具相同地蒸镀形成硬质包覆层，从而制造出表24所示的比较包覆工具41～55。
另外，与本发明包覆工具45～52相同，关于比较包覆工具45～52，在表3所示的形成条件下形成了表22所示的下部层、上部层。
并且，使用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)，对本发明包覆工具41～55及比较包覆工具41～55的各结构层的剖面进行测定，测定观察视场内的5个点的层厚并进行平均而求出平均层厚的结果，均显示出实际上与表23、表24所示的目标层厚相同的平均层厚。
并且，关于所述本发明包覆工具41～55及比较包覆工具41～55的硬质包覆层，利用与实施例1所示的方法相同的方法，求出平均Al含有比例Xavg、平均Me含有比例Yavg、平均C含有比例Zavg、倾斜角度数分布、周期性浓度变化差Δx(＝Xmax-Xmin)和周期、晶格常数a、晶粒的平均粒子宽度W、平均纵横尺寸比A及晶粒中的立方晶相所占的面积比例。
表23、表24中示出其结果。
[表21]
[表22]
[表23]
[表24]
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均夹紧于刀具直径125mm的工具钢制刀具前端部的状态下，对本发明包覆工具41～55及比较包覆工具41～55实施以下所示的碳钢的高速断续切削的一种即湿式高速正面铣削及中心切割式切削加工试验，测定出切削刃的后刀面磨损宽度。
工具基体：碳化钨基硬质合金；
切削试验：湿式高速正面铣削、中心切割式切削加工；
工件：JIS·S55C宽度100mm、长度400mm的块体材料；
转速：980min-1；
切削速度：385m/min；
切深量：1.2mm；
单刀进给量：0.12mm/刀；
切削油：有
切削时间：5分钟；
表25中示出切削加工试验结果。
[表25]
比较包覆工具栏中的*号表示因产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
从表9、表15、表20及表25中示出的结果明确可知，本发明的包覆工具在Ti、Al、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，该立方晶粒显示{110}面取向且为柱状组织，在该晶粒内存在Ti、Al、Me的浓度变化，从而因晶粒的应变而硬度提高，维持较高的耐磨性，并且韧性提高。而且，当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，耐崩刀性及耐缺损性优异，其结果，在长期使用中发挥优异的耐磨性。
与此相对，明确可知在构成硬质包覆层的Ti、Al、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，由于不具备本发明中规定的要件，因此当在伴有高热产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、缺损等的产生而短时间内达到寿命。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的包覆工具不仅可以用于合金钢的高速断续切削加工中，而且还可以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，因此能够令人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、以及低成本化。
符号说明
1-硬质包覆层，2-包括Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层，3-工具基体，4-基体表面，5-基体表面的法线，6-{110}面的倾斜角为0度的法线，7-{110}面的倾斜角为45度的法线，8-{110}面的倾斜角为45度时的晶面，9-Al含量相对较多的区域，10-Al含量相对较少的区域，11a-极大值1，11b-极大值2，11c-极大值3，12a-极小值1，12b-极小值2，12c-极小值3，12d-极小值4，13-区域A，14-区域B，15-区域A和区域B的边界。

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一种构成的工具基体的表面形成有硬质包覆层，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平均层厚1～20μm的Ti、Al、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，在由组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)表示的情况下，复合氮化物或复合碳氮化物的层中，Al在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Xavg、Me在Ti、Al、Me的总量中所占的平均含有比例Yavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Zavg分别满足0.60≤Xavg、0.005≤Yavg≤0.10、0≤Zavg≤0.005、0.605≤Xavg+Yavg≤0.95，其中，Xavg、Yavg、Zavg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型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的相，
(c)对所述复合氮化物或复合碳氮化物的层内的具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的晶体方位，使用电子背散射衍射装置，从纵剖面方向进行分析的情况下，测定作为所述晶粒的晶面的{110}面的法线相对于工具基体表面的法线方向所成的倾斜角，在该倾斜角中将相对于法线方向在0～45度范围内的倾斜角按每0.25度的间距进行划分并合计存在于各分区内的度数而求出倾斜角度数分布时，显示出在0～12度范围内的倾斜角分区存在最高峰值，并且存在于所述0～12度范围内的度数的合计显示出所述倾斜角度数分布中的所有度数的35％以上的比例，
(d)并且，在具有所述NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒内存在组成式：(Ti1-x-yAlxMey)(CzN1-z)中的Ti、Al、Me的周期性浓度变化，在将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极大值的平均值设为Xmax，并且将Al的含有比例x的周期性变化的x值的极小值的平均值设为Xmin的情况下，Xmax与Xmin之差Δx为0.03～0.25，
(e)在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿该工具基体表面的法线方向的周期为3～100nm。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，沿该方位的周期为3～100nm，在与该方位正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXo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，
在所述复合氮化物或复合碳氮化物的层中存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化的具有NaCl型面心立方结构的晶粒中，在晶粒内存在如下区域A及区域B，所述区域A和区域B的边界形成于由{110}表示的等价的晶面中的一个面，
(a)区域A：沿立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，若将该方位设为方位dA，则沿方位dA的周期为3～30nm，在与方位dA正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodA为0.01以下，
(b)区域B：沿与方位dA正交的立方晶粒的由＜001＞表示的等价的晶体方位中的一个方位存在Ti、Al、Me的周期性浓度变化，若将该方位设为方位dB，则沿方位dB的周期为3～30nm，在与方位dB正交的面内的Al的含有比例x的变化量的最大值ΔXodB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，
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，由X射线衍射求出具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a，所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒的晶格常数a相对于立方晶TiN的晶格常数aTiN和立方晶AlN的晶格常数aAlN满足0.05aTiN+0.95aAlN≤a≤0.4aTiN+0.6aAlN的关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
关于所述复合氮化物或复合碳氮化物的层，从该层的纵剖面方向进行观察的情况下，具有该层内的具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me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0.1～2.0μm且平均纵横尺寸比A为2～10的柱状组织。
6.根据权利要求1至4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中，具有NaCl型面心立方结构的Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的面积比例为70面积％以上。
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一种构成的工具基体与所述Ti、Al、Me的复合氮化物或复合碳氮化物的层之间，存在包含Ti化合物层的下部层，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1层或2层以上构成且具有0.1～20μm的合计平均层厚。
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，至少包含氧化铝层的上部层以1～25μm的合计平均层厚存在。
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的制造方法，其特征在于，所述复合氮化物或复合碳氮化物的层至少含有作为反应气体成分的三甲基铝并通过化学蒸镀法而成膜。
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