CN108883481A - 包覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在工具的表面具有硬质皮膜的包覆切削工具。硬质皮膜为氮化物，相对于金属(包含半金属)元素的总量，钛(Ti)含有比率为70原子％以上且95原子％以下，硅(Si)含有比率为5原子％以上且30原子％以下，相对于金属元素(包含半金属)和非金属元素的总量，氩(Ar)含有比率为0.1原子％以下。硬质皮膜具有NaCl型晶体结构，并且平均晶体粒径为5nm以上且30nm以下。在硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氮含有比率为50.0原子％以上。

Description

包覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种在工具的表面具有硬质皮膜的包覆切削工具。
本申请基于2016年3月30日在日本专利局申请的专利申请2016-67393号要求优先权，并且在此援引其内容。
背景技术
以往，作为提高切削工具等工具的寿命的技术，采用将由各种陶瓷构成的硬质皮膜包覆在工具表面上的表面处理技术。由于在硬质皮膜中，Ti及Si的复合氮化物皮膜及碳氮化物皮膜(以下，有时分别记载为TiSiN及TiSiCN)也具有优异的耐磨性，因此形成有这些硬质皮膜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Si3N4及Si作为独立的相存在于化合物相中的TiSiN而成的包覆切削工具。另外，在专利文献2中提出了包覆在微观组织中有微细晶体及非晶质部混合存在的TiSiN而成的包覆切削工具。
专利文献1：日本专利公开2000-334606号公报
专利文献2：日本专利公开2008-80447号公报
由于在一直以来提出的TiSiN中未充分形成有完整的氮化物，并且含有较多的非晶质相，因此硬质皮膜的结晶性较低。根据本发明人的研究，例如在HRC50以上的高硬度钢的高效率加工等的工具负荷较大的苛刻使用环境下，包覆现有的TiSiN而成的工具具有工具损伤大的情况，从而具有改善的余地。
发明内容
因此，本发明人关于对以Ti和Si为主体的氮化物提高耐热性和耐磨性的技法进行了研究，并且得到如下的见解：由于在利用现有的电弧离子镀法包覆而成的以Ti和Si为主体的氮化物中含有多原子％水平的氧或碳，因此包含在皮膜内部的氮含有比率相对于金属元素的含有比率呈减少的趋势，其结果，难以充分形成完整的氮化物。并且，得到如下见解：在微观水平对以Ti和Si为主体的氮化物控制皮膜组织的同时，提高氮在膜厚方向上的含有比率，这种方法对包覆切削工具的耐久性提高很有效的见解，从而通过提供这种优异的包覆切削工具来解决了上述问题。
本发明的方式是基于上述见解而提出的，其具有如下的特征：
“(1)一种包覆切削工具，其在工具的表面具有硬质皮膜，所述包覆切削工具的特征在于，所述硬质皮膜为氮化物，相对于金属(包含半金属)元素的总量，钛(Ti)含有比率为70原子％以上且95原子％以下，硅(Si)含有比率为5原子％以上且30原子％以下，相对于金属元素(包含半金属)和非金属元素的总量，氩(Ar)含有比率为0.1原子％以下，
所述硬质皮膜具有NaCl型晶体结构，并且平均晶体粒径为5nm以上且30nm以下，
在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氮含有比率为50.0原子％以上。
(2)根据(1)所述的包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氧含有比率为3原子％以下。
(3)根据(1)或(2)所述的包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，碳含有比率为5原子％以下。
(4)根据(1)～(3)所述的包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氧和碳的合计含有比率为3原子％以下。
(5)根据(1)～(4)中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，在利用透射型电子显微镜对所述硬质皮膜进行组织观察时，在50nm×50nm的范围内的圆当量直径为5nm以上的非晶质相为一个以下。
(6)根据(1)～(5)中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，所述硬质皮膜的纳米压痕硬度为40Gpa以上且60GPa以下，并且弹性系数为400GPa以上且500Gpa以下。
(7)根据(1)～(6)中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，在所述工具与所述硬质皮膜之间具有中间皮膜。
(8)根据(1)～(7)中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，在观察所述硬质皮膜的表面及截面时，在每100μm2具有5个以下的圆当量直径为1.0μm以上的微滴。”
本发明通过在包覆切削工具中，对于设置在该包覆切削工具的表面的硬质皮膜的以Ti和Si为主体的氮化物，在微观水平控制皮膜组织，并且提高氮在膜厚方向上的含有比率，由此提高包覆切削工具的耐久性，从而提供优异的包覆切削工具。
附图说明
图1是利用电子显微镜来观察实施例1的表面的表面观察照片(5,000倍)。
图2是利用电子显微镜来观察比较例3的表面的表面观察照片(5,000倍)。
图3是与TEM像一同表示实施例1的TEM像和纳米电子束衍射图案的一例。
具体实施方式
下面，对构成本发明的实施方式的包覆切削工具的硬质皮膜的成分组成、组织、特性及其制造方法等进行详细说明。
[1]硬质皮膜
<成分组成(钛(Ti)及硅(Si))>
本发明的实施方式所涉及的硬质皮膜是以Ti和Si为主体的氮化物。由于以Ti和Si为主体的氮化物含有规定量的Si，因此硬质皮膜的组织变得微细且提高耐热性和硬度。另外，该氮化物具有较高的残留压缩应力，通过将该氮化物应用到包覆切削工具中而提高切削工具的耐久性。
此外，在以下说明中，当提到“Si含有比率”及“Ti含有比率”时，分别表示“Si相对于硬质皮膜的含有比率”及“Ti相对于硬质皮膜的含有比率”。
在为了提高硬质皮膜的耐热性和硬度而赋予适度的残留压缩应力时，需要将金属元素(包含半金属。以下同样)中的Si含有比率设为以原子比率(原子％)计为5原子％以上。另一方面，如果Si含有比率较大，则包含在硬质皮膜中的非晶质相较多，并且包覆切削工具的耐久性下降，因此将金属元素中的Si含有比率设为30原子％以下。Si含有比率的优选下限为10原子％。另外，Si含有比率的优选上限为25原子％。
另外，关于Ti，在Ti含有比率较小的情况下，硬质皮膜的耐磨性及耐热性呈下降的趋势，因此将金属元素中的Ti含有比率(原子％)设为硬质皮膜能够以高水平同时实现耐磨性和耐热性的70原子％以上。另一方面，如果Ti含有比率较大，则因Si含有比率相对降低而导致皮膜组织粗大，并且难以对硬质皮膜赋予充分的残留压缩应力。因此，为了将硬质皮膜的组织控制为微细且赋予适度的残留压缩应力，将金属元素中的Ti含有比率设为以原子比率(原子％)计为95原子％以下。Ti含有比率的优选下限为75原子％。另外，Ti含有比率的优选上限为90原子％。如果本实施方式所涉及的硬质皮膜含有上述范围的Ti和Si，则也可以含有其他金属元素。在含有其他金属元素的情况下，Ti和Si的合计含有比率也优选为90原子％以上。
关于硬质皮膜中的金属元素的含有比率，能够以经镜面加工的硬质皮膜为样品，并且使用电子探针显微分析装置(EPMA)来测量。具体而言，例如可以在对硬质皮膜进行镜面加工之后，对直径为约1μm的分析范围的5个点进行分析，并且由所得到的测量值的平均求出各金属元素的含有比率。
若硬质皮膜的膜厚过薄，则包覆切削工具的耐磨性呈下降的趋势。另外，如果膜厚过厚，则硬质皮膜容易剥离。在本实施方式中，硬质皮膜的膜厚优选为0.3μm以上且5.0μm以下。此外，更优选为0.5μm以上且3.0μm以下。
<成分组成(氩(Ar))>
在本实施方式的硬质皮膜中，将氩(Ar)相对于金属(包含半金属)元素和非金属元素的总量(硬质皮膜总体)的含有比率设为0.1原子％以下。
由于溅射法通过使用氩离子对靶成分进行溅射而包覆硬质皮膜，因此在硬质皮膜中容易含有氩。如后述，如果硬质皮膜的晶体粒径进行微粒化则硬度提高，并且晶界变多，硬质皮膜中含有的氩在晶界稠化。在硬质皮膜的氩含有比率较大的情况下，硬质皮膜的韧性下降，难以发挥充分的工具性能。因此，在本实施方式中，为了通过降低在硬质皮膜的晶界稠化的氩而得到后述的硬质皮膜的微粒化效果，将氩含有比率设为0.1原子％以下。此外，氩(Ar)含有比率优选为小于0.1原子％。在本实施方式中，并不特别限定氩(Ar)含有比率的下限。由于利用溅射法包覆本实施方式所涉及的硬质皮膜，因此可含有0.05原子％以上的氩(Ar)。
与上述的金属元素的含有比率的测量同样，能够以经镜面加工的硬质皮膜为样品，并且使用电子探针显微分析装置(EPMA)来测量本实施方式所涉及的硬质皮膜中的氩含有比率。并且，与上述的金属元素的含有比率的测量同样，可以在对硬质皮膜进行镜面加工之后，对直径为约1μm的分析范围的5个点进行分析，并且利用所得到的测量值的平均求出含有比率。
在本实施方式所涉及的硬质皮膜中，作为非金属元素，有时除氮以外包含微量的氩、氧和碳。可通过将金属(包含半金属)元素和氮、氧、碳、氩的含有比率设为100原子％，求出氩含有比率。
<晶体结构>
本实施方式所涉及的硬质皮膜为NaCl型晶体结构这一点很重要。在本实施方式中，“硬质皮膜为NaCl型晶体结构”是指在使用X射线衍射或透射型电子显微镜(TEM)的限制视场衍射图案中起因于NaCl型晶体结构的峰值强度呈现最大强度。因此，如果起因于作为硬质皮膜整体的NaCl型晶体结构的峰值强度呈现最大强度，则假设在使用透射型电子显微镜(TEM)的微观解析中部分包含hcp结构或非晶质相，硬质皮膜也为NaCl型晶体结构的硬质皮膜。另一方面，由于起因于hcp结构的峰值强度最大的硬质皮膜脆弱，因此如果将其应用到包覆切削工具则耐久性呈下降的趋势。对于本实施方式所涉及的硬质皮膜的晶体结构来说，例如可通过使用X射线衍射或透射型电子显微镜(TEM)的限制视场衍射图案等来确认晶体结构。在皮膜的被验面积较小的情况下，有时难以利用X射线衍射来鉴定NaCl型晶体结构。即使在这种情况下，也能够通过使用透射型电子显微镜(TEM)的限制视场衍射图案等来进行晶体结构的鉴定。
优选本实施方式所涉及的硬质皮膜因起因于NaCl型晶体结构的(200)面呈现最大强度而具有呈现特别优异的耐久性的趋势。在将起因于NaCl型晶体结构的(200)面的峰值强度设为I(200)，并且将起因于(111)面的峰值强度设为I(111)时，I(200)/I(111)优选为3以上。进一步优选为4以上。更进一步优选为5以上。
在使用X射线衍射或透射型电子显微镜(TEM)对本实施方式所涉及的硬质皮膜进行晶体解析时，优选无法确认起因于hcp结构的衍射强度或衍射图案。
<平均晶体粒径>
在本实施方式所涉及的硬质皮膜中，将硬质皮膜的平均晶体粒径设为5nm以上且30nm以下。如果硬质皮膜的微观组织过于微细，则由于硬质皮膜的组织接近非晶质，因此硬质皮膜的韧性及硬度下降。为了提高硬质皮膜的结晶性并降低脆弱的非晶质相，将硬质皮膜的平均晶体粒径设为5nm以上。另外，如果硬质皮膜的微观组织过于粗大，则因硬质皮膜的硬度下降而包覆切削工具的耐久性呈下降的趋势。为了对硬质皮膜赋予高硬度并提高包覆切削工具的耐久性，将硬质皮膜的平均结晶粒度设为30nm以下。进一步，硬质皮膜的平均晶体粒径优选为20nm以下。
硬质皮膜的平均晶体粒径可由X射线衍射的半值宽来测量。
<成分组成(氮(N)、氧(O)及碳(C))>
通过使用扫描型X射线光电子分光装置从硬质皮膜的表面按膜厚方向依次进行分析，从而能够在膜厚方向上准确地测量皮膜组成。本发明人使用扫描型X射线光电子分光装置对利用现有的电弧离子镀法包覆而成的Ti和Si氮化物进行了评价。在利用现有的电弧离子镀法包覆而成的情况下，得到如下的见解：即便为氮化物也不可避免地含有规定量的氧和碳，并且氮元素相对于金属元素的含有比率较低，难以充分形成完整的氮化物。当在皮膜整体上未充分形成有氮化物的情况下，硬质皮膜的微观组织及组成容易变得不均匀而包覆切削工具的耐久性呈下降的趋势。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，使用扫描型X射线光电子分光装置来分析硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各膜组成，并且其各组成分析的结果中，在各深度位置的组成下将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氮含有比率为50.0原子％以上。通过提高硬质皮膜中含有的氮在膜厚方向上的含有比率，从而能够对硬质皮膜整体形成充分的氮化物并提高硬质皮膜的耐热性。特别是，由于氮含有比率为50.0原子％以上，因此处于形成充分的氮化物并提高硬质皮膜的耐热性的趋势。
在本实施方式的硬质皮膜的分析方法中，从深度20nm开始每蚀刻20nm对硬质皮膜实施皮膜组成的分析，对从硬质皮膜的表面至深度200nm的范围进行组成分析。在组成分析中，通过将碳、氮、氧及金属(包含半金属)元素的合计含有比率设为100原子％而算出各元素的含有比率。在该测量方法中，由于小于1原子％的分析值的测量精度不够充分，因此在后述的实施例所参照的表2、3、5、6中小于1原子％的值表示为“-”。此外，即使在任一样品的最外表面也能检测出较多作为不可避免的杂质的氧和碳，因此从距离皮膜表面的深度为20nm的位置起进行分析。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，使用扫描型X射线光电子分光装置来分析硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各皮膜组成，并且其各组成分析的结果中，在各组成下将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，优选氮含有比率为51原子％以上。然而，如果氮含有比率大于55原子％，则由于硬质皮膜的残留压缩应力过高而硬质皮膜容易发生自我破坏，因此氮含有比率优选为55原子％以下。
由于在测量位置的最外表面检测出较多作为不可避免的杂质的氧和碳，因此避开最外表面，从距离皮膜表面的深度为20nm的位置起按每20nm深度进行测量。并且，就氮、氧和碳而言，如果至少从皮膜表面至200nm的深度满足期望的组成范围，则认为形成有在规定膜厚上充分形成有氮化物且以Ti和Si为主体的氮化物，因此能够确定发挥本发明的效果的硬质皮膜。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，优选在硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，氧含有比率为3原子％以下。此外，优选氧含有比率为2原子％以下。由于包含在硬质皮膜中的氧含有比率极其少，因此硬质皮膜的结晶性呈提高的趋势。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，优选在从硬质皮膜的表面起100nm以内的范围内，具有氧含有比率为1.5原子％的区域。通过在硬质皮膜的表面部，设置氧含有比率为1.5原子％以下而极其少的区域，从而硬质皮膜的耐热性呈进一步提高的趋势。此外，虽然本实施方式所涉及的硬质皮膜呈氧较少的趋势，但存在与硅或钛结合的氧位于硬质皮膜中的程度。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，在硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，优选碳含有比率为5原子％。此外，优选在硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，碳含有比率为4原子％以下。通过在降低包含在硬质皮膜中的不可避免的氧的基础上，再降低碳，从而耐热性呈进一步提高的趋势。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，在硬质皮膜的深度20nm至200nm下的每20nm的各组成中，将金属(包含半金属)元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，优选氧和碳的合计含有比率为3原子％以下。此外，优先氧和碳的合计含有比率为2原子％以下。通过与各个含有比率一同限制碳和氧的合计量的含有比率，从而硬质皮膜的耐热性呈进一步提高的倾向。
包含在硬质皮膜中的非晶质的尺寸可利用透射型电子显微镜的纳米电子束衍射图案来评价。通过使用电子束直径为5nm的纳米电子束来评价硬质皮膜的纳米电子束衍射图案，从而能确认该区域为晶体相或非晶质相。即，在衍射图案中未出现与晶体相对应的亮点的测量位置上，存在直径大于电子束直径且圆当量直径为5nm以上的非晶质相。并且，通过在50nm×50nm的区域实施利用透射型电子显微镜进行的组织观察和纳米电子束衍射图案的计量，从而能够求出圆当量直径为5nm以上的非晶质相的数量。在评价微观组织中的均匀性时，可利用两个以上的视场来评价50nm×50nm的范围即可。
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，优选在50nm×50nm范围内圆当量直径为5nm以上的非晶质相为一个以下，进一步优选为0个。此外，优选在50nm×50nm范围内圆当量直径为10nm以上的非晶质相为0个。
<硬度(纳米压痕硬度)及弹性系数>
本实施方式所涉及的硬质皮膜通过提高纳米压痕硬度而包覆切削工具的耐久性呈提高的趋势。另一方面，如果纳米压痕硬度过高，则皮膜变得脆弱且包覆切削工具的耐久性呈下降的趋势。因此，本实施方式所涉及的硬质皮膜的纳米压痕硬度优选为40GPa以上且60GPa以下。此外，优选将硬质皮膜的纳米压痕硬度设为50GPa以上。此外，优选将纳米压痕硬度设为55GPa以上。另外，在提高皮膜硬度的基础上，将硬质皮膜的弹性系数设为400GPa以上，因此能够对包覆切削工具赋予优异的耐久性。此外，优选将硬质皮膜的弹性系数设为450GPa以上。为了对硬质皮膜赋予优异的韧性，硬质皮膜的弹性系数优选为500GPa以下。
本实施方式中的硬质皮膜的纳米压痕硬度及弹性系数可利用纳米压痕装置(Elionix株式会社制的超微小压入硬度试验机ENT-1100a)来测量。关于测量，在压入负载为49mN、最大负载保持时间为1秒及施加负荷后的去除速度为0.49mN/秒的测量条件下，从硬质皮膜的表面压入端子，并且测量压入深度维持在硬质皮膜的厚度的1/10以下时的最大深度的10个点。由10个点的测量值中的除值较大侧的两个点和值较小侧的两个点以外的六个点的平均值来求出纳米压痕硬度及弹性系数。
<抑制微滴>
如果硬质皮膜中包含粗大的微滴，则容易发生以微滴为起点的皮膜破坏，并且包覆工具的耐久性下降。特别是如果在硬质皮膜的表面或内部存在较多圆当量直径为1μm以上的粗大微滴，则容易发生突发性的缺损等，包覆切削工具的耐久性呈下降的趋势。另外，即使只将皮膜表面设为平滑，如果在皮膜内部也包含较多的粗大微滴，则容易以该微滴为基点发生皮膜破坏。因此，在观察硬质皮膜的表面及截面时，优选在每100μm2具有5个以下的圆当量直径为1μm以上的微滴。通过降低位于硬质皮膜的表面上的粗大微滴，能够抑制包覆切削工具的突发性的折损，因此优选。此外，在观察硬质皮膜的表面及截面时，优选在每100μm2具有三个以下的圆当量直径为1μm以上的微滴，进一步优选为两个以下。
由于在工具直径为1mm以下的小径工具的情况下，微滴对工具直径的影响较大，因此即使小于1μm的微滴，也有可能成为破坏的起点。因此，优选尽可能降低圆当量直径小于1μm的微滴。此外，在观察硬质皮膜的表面及截面时，优选在每100μm2具有5个以下的圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴。进一步，在观察硬质皮膜的表面及截面时，优选在每100μm2具有三个以下的圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴，更优选为两个以下。
硬质皮膜的表面的微滴可通过使用扫描电子显微镜(SEM)观察硬质皮膜的表面来求出。另外，在硬质皮膜的截面观察中评价微滴时，对利用聚焦离子束法且使用透射型电子显微镜进行镜面加工的面，以5,000～10,000倍观察多个视场。
<其他添加元素>
对于本实施方式所涉及的硬质皮膜来说，可以以提高硬质皮膜的耐磨性及耐热性等为目的，相对于硬质薄膜以5原子％以下的含量包含选自元素周期表的4a族、5a族、6a族元素及B、Y的一种或两种以上的元素。
<中间皮膜等>
对于本实施方式的包覆切削工具来说，为了进一步提高硬质皮膜的粘着性，也可以根据需要在工具基材与硬质皮膜之间另行设置中间层。例如，也可以将由金属、氮化物、碳氮化物及碳化物中的任一种构成的层设置在工具基材与硬质皮膜之间。特别是，优选将Al和Ti的氮化物设置为中间层。
另外，也可以在本实施方式所涉及的硬质皮膜与工具基材之间，设置成分比不同的其他硬质皮膜之间的混合倾斜皮膜。另外，也可以在本实施方式所涉及的硬质皮膜上另外形成具有与本实施方式所涉及的硬质皮膜不同的成分比或不同的组成的硬质皮膜。此外，也可以相互层叠本实施方式所涉及的硬质皮膜和另外具有与本实施方式所涉及的硬质皮膜不同的组成比或不同的组成的硬质皮膜。
[2]硬质皮膜的成膜方法
在本实施方式所涉及的硬质皮膜的包覆中，优选在物理蒸镀法中还应用通过对靶成分进行溅射而包覆硬质皮膜的溅射法。
物理气相沉积法对硬质皮膜赋予残留压缩应力且耐缺损性呈优异的趋势。在物理蒸镀法中，电弧离子镀法也呈靶成分的离子化率高且硬质皮膜的粘着性优异的趋势而被广泛应用。但是，电弧离子镀法由于靶成分因电弧放电而熔化，因此具有如下趋势：包含在炉内的氧或碳的不可避免的杂质容易被引入到硬质皮膜中，并且难以获得氮含有比率高的硬质皮膜。
因此，通过应用不会使靶熔化的溅射靶而处于硬质皮膜中含有的氧或碳的不可避免的杂质减少的趋势。但是，在现有的DC溅射法或只对靶施加高电力的高输出功率溅射法中，因靶的离子化率较低而形成在硬质皮膜上的氮化物不够充分。因此，当在溅射法中还应用对靶依次施加电力的溅射法来改变待施加电力的靶时，优选同时设定对电力施加结束的靶和开始电力施加的靶这两个靶施加电力的时间。
通过利用这种溅射法进行包覆而在成膜中维持靶的离子化率较高的状态，硬质皮膜的结晶性较高且呈形成充分的氮化物的趋势。
并且，为了在硬质皮膜中形成充分的氮化物，电力脉冲的最大电力密度优选为1.0kW/cm2以上。但是，如果施加于靶的电力密度过大则难以稳定地进行成膜。因此，电力脉冲的最大电力密度优选为3.0kW/cm2以下。另外，在对电力施加结束的合金靶和开始电力施加的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间过短或过长的情况下，靶的离子化不够充分而难以在硬质皮膜上形成充分的氮化物。因此，对电力施加结束的合金靶和开始电力施加的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间优选为5微秒以上且20微秒以下。为了提高靶成分的离子化率，优选使用三个以上的TiSi类合金靶。
另外，优选通过将溅射装置的炉内温度设为430℃来实施预备放电，并且将导入到炉内的氮气的流量设为60sccm以上，将氩气的流量设为70sccm以上且200sccm以下。另外，优选将炉内压力设为0.5Pa～0.7Pa。通过在上述条件下进行包覆，从而降低硬质皮膜的氩及氧的含有比率，并且容易提高氮的含有比率。另外，为了将硬质皮膜设为NaCl型晶体结构，并且设为结晶性较高的微粒组织，施加于成为基体的切削工具的负脉冲电压优选控制在-55V～-20V的范围内。
本实施方式的包覆切削工具例如可用于高硬度钢、不锈钢、耐热钢、铸钢或碳素钢的切削加工。具体而言，本实施方式的包覆切削工具可以以球头立铣刀、方头立铣刀、半径立铣刀、多刃立铣刀、刀片、钻头、刀具、拉刀、铰刀或槽刨等的方式使用。
下面，根据实施例对本发明进行更具体说明，但本发明并不限定于以下实施例。
实施例
(第一实施例)
<工具>
作为工具，准备组成为WC(余量成分)-Co(8.0质量％)-Cr(0.5质量％)-VC(0.3质量％)、WC平均粒度为0.6μm且硬度为93.9HRA(洛氏硬度、以JIS G 0202为基准测量的值)的硬质合金制的双刃球头立铣刀(球头半径5mm、三菱日立工具株式会社制)。
实施例1及比较例1使用能够搭载六个溅射蒸发源的溅射装置。将这些气相沉积源中的三个AlTi类合金靶及三个TiSi类合金靶作为气相沉积源设置在装置内。此外，使用尺寸且厚度12mm的靶。在实施例1及比较例1中，变更所使用的TiSi类合金靶的组成。
将工具固定在溅射装置内的样品架上，并且对工具连接脉冲电源。此外，脉冲电源为与靶独立地对工具施加负脉冲电压的结构。工具以每分钟旋转两次的方式自转，并且经由固定夹具和样品架公转。工具与靶表面之间的距离为100mm。
作为导入气体使用Ar及N2，从设置于溅射装置的气体供给口导入该导入气体。
<轰击处理>
首先，在对工具包覆硬质皮膜之前，按以下顺序对工具进行轰击处理。在通过溅射装置内的加热器使炉内温度成为430℃的状态下进行30分钟的加热。之后，对溅射装置的炉内进行真空排气，将炉内压力设为5.0×10-3Pa以下。并且，通过将Ar气体导入到溅射装置的炉内，将炉内压力调整为0.8Pa。并且，通过对工具施加-170V的直流脉冲电压，从而实施利用Ar离子的工具的清洗(轰击处理)。
<中间皮膜的成膜>
接着，按以下顺序将AlTiN的中间皮膜包覆在工具上。
在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以120sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.60Pa。当对工具施加-60V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Al和Ti的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒而改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并改变三个AlTi类合金靶的同时连续施加电力，从而在工具表面上包覆厚度约1.5μm的中间皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为1.5kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
<硬质皮膜的成膜>
接着，按以下顺序将硬质皮膜包覆在中间皮膜上。
在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以80sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.52Pa。当对工具施加-40V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒而改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并改变三个TiSi类合金靶的同时连续施加电力，从而在中间皮膜上包覆厚度约1.5μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为1.5kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
比较例2准备利用溅射法包覆而成的样品，该溅射法使用与实施例1及比较例2不同的装置。
在成膜时，使用将一个AlTi类合金靶及一个TiSi类合金靶设置于气相沉积源的溅射装置。此外，使用尺寸为500mm×88mm且厚度10mm的靶。与实施例同样，通过Ar离子实施工具的清洗。
以将溅射装置的炉内压力真空排气至5.1×10-3Pa以下、炉内温度设为430℃以及炉内压力为0.6Pa的方式导入Ar气体及N2气体。并且，通过对工具施加-100V的直流脉冲电压，并且对AlTi类合金靶供应5kW的电力，从而包覆厚度约1.5μm的中间皮膜。
接着，在将工具温度保持在430℃的状态下，炉内压力为0.6Pa的方式导入Ar气体及N2气体。并且，通过对工具施加-80V的直流脉冲电压，并对TiSi类合金靶供应5kW的电力，从而包覆厚度约1.5μm的硬质皮膜。
比较例3准备利用电弧离子镀法包覆而成的样品。
在成膜时，使用将一个AlTi类合金靶及一个TiSi类合金靶设置于气相沉积源的电弧离子镀装置。此外，使用尺寸为且厚度16mm的靶。与实施例同样，通过Ar离子实施工具的清洗。
以将电弧离子镀装置的炉内压力真空排气至5.0×10-3Pa以下、炉内温度设为430℃以及炉内压力为4.0Pa的方式导入N2气体。通过对工具施加-50V的直流脉冲电压，并且对AlTi类合金靶供应150A的电流，从而包覆厚度约1.5μm的中间皮膜。
接着，在将工具温度保持在430℃的状态下，炉内压力为4.0Pa的方式导入N2气体。并且，通过将施加于工具的脉冲电压设为-50V，并对TiSi类合金供应150A的电流，从而包覆厚度约1.5μm的硬质皮膜。
<皮膜组成>
使用电子探针微分析装置(日本电子株式会社制JXA-8500F)来测量硬质皮膜的皮膜组成。具体而言，使用附属于上述装置的波长分散型电子探针微小分析(WDS-EPMA)来测量硬质皮膜的皮膜组成。通过对物性评价用的球头立铣刀进行镜面加工而作为样品。测量条件设为加速电压10kW、照射电流5×10-8A及引入时间10秒，通过对分析区域为直径1μm的范围的5个点进行测量，由其平均值求出硬质皮膜的金属含有比率及Ar在金属成分和非金属成分的合计中的含有比率。
<晶体结构及晶体粒径>
硬质皮膜的晶体结构使用X射线衍射装置(日本理学株式会社制RINT2000垂直型测角器固定单色器)来确定。在管电压40kV、管电流300mA、X射线源CuKα(λ＝0.15418nm)、2θ为20～70度的测量条件下进行确认。利用硬质皮膜的(200)面的峰值强度的半值宽测量硬质皮膜的平均晶体粒径。
<皮膜硬度及弹性系数>
使用纳米压痕测试器(Elionix株式会社制ENT-1100a)来分析硬质皮膜的皮膜硬度及弹性系数。关于分析，在对使试验片相对于皮膜的最外表面倾斜5度的皮膜截面进行镜面研磨之后，在皮膜的研磨面内选择最大压入深度小于膜厚的大致1/10的区域。在压入荷载49mN/秒的测量条件下测量十个点，由去除值较大侧的两个点和值较小侧的两个点后的六个点的平均值来求出皮膜硬度及弹性系数。
<TEM分析>
使用透射型电子显微镜(TEM)来实施微观组织的观察。另外，使用电子束直径为5nm的纳米电子束，来确认在50nm×50nm的区域是否存在圆当量直径为5nm以上的非晶质相。
<切削试验>
使用制作出的包覆切削工具来进行切削试验。在表1中示出分析结果即切削试验结果。切削条件如下所述。
(条件)湿式加工
·工具：双刃硬质球头立铣刀
·型号：EPBTS2100、球头半径5.0mm
·切削方法：底面切削
·工件：HPM38(52HRC)(日立金属株式会社制)
·切削深度：轴向0.2mm、径向0.2mm
·切削速度：314.0m/分钟
·单刃进给量：0.2mm/刃
·切削油：水溶性乳液加压供给
·切削距离：300mm
·评价方法：在切削加工之后，使用扫描型电子显微镜在倍率150倍下进行观察，并且测量工具和工件摩擦的宽度，将其中的摩擦宽度最大的部分设为最大磨损宽度。
对各样品观察皮膜特性及皮膜组织。将皮膜特性及切削评价结果示于表1。
[表1]
确认到与利用现有的电弧离子镀法包覆而成的比较例3相比较，实施例1还能够抑制约20μm的最大磨损宽度，呈现出优异的耐久性。此外，表中的“fcc”表示面心立方格子结构。
比较例1由于硬质皮膜的Si含有比率较小，因此硬度及耐热性下降，与实施例相比磨损宽度较大。
比较例2为利用现有的DC溅射法包覆而成的硬质皮膜，与实施例1相比硬质皮膜的Ar含有比率较多且硬度也较低。因此，提前发生粗大的皮膜剥离。
实施例1及比较例3的硬质皮膜为平均晶体粒径为7nm的微细晶体组织，在微观组织观察中未确认到圆当量直径为5nm以上的粗大的非晶质相。因此，为了明确实施例1和比较例3的耐久性的差异，使用扫描型X射线光电子分光装置对实施例1和比较例3实施膜厚方向的组成分析。
<从表面起始测量深度方向的原子浓度分布>
就实施例1及比较例3而言，使用扫描型X射线光电子分光装置(日本Ulvac-Phi株式会社制Quantum-200)，从皮膜的表面起始实施深度方向的原子浓度分布测量。关于分析，将X射线源设为AlKα，将分析区域设为使用电子中和枪实施测量。为了测量皮膜的深度方向的元素分布，使用Ar离子枪，且通过SiO2换算以10nm/分钟的速度实施蚀刻，并且每蚀刻20nm实施皮膜组成的分析，从而分析硬质皮膜的表面至200nm的深度。
将碳、氮、氧、硅及钛的合计含有比率设为100原子％而进行组成分析。此外，在硬质皮膜中未包含上述以外的金属(包含半金属)元素。将实施例1的分析结果示于表2。另外，将比较例3的分析结果示于表3。在该测量法中，小于1原子％的分析值的测量精度不够充分，因此在表2及表3中将小于1原子％的值表示为“-”。此外，由于在任一样品的最外表面也能够检测出较多作为不可避免的杂质的氧和碳，因此从距离皮膜表面的深度为20nm的位置起进行分析。
[表2]
[表3]
就利用现有的电弧离子镀法包覆而成的比较例3而言，氧及碳在膜厚方向上的含有比率较高，因此氮含有比率小于50.0原子％，在硬质皮膜整体未形成有充分的氮化物。另一方面，就实施例1而言，确认到氧及碳在膜厚方向上的含有比率较低，并且氮含有比率为50.0原子％以上。就实施例1而言，氮含有比率在硬质皮膜的膜厚方向上较高，并且在硬质皮膜整体充分形成有氮化物，因此推断为与利用现有的电弧离子镀法包覆而成的比较例3相比能够抑制磨损宽度。
此外，确认到即使在距离表面的深度深于200nm的部位中，实施例1的氧或碳也较少，并且氮含有比率为50.0原子％以上，利用现有的电弧离子镀法包覆而成的比较例3的氧或碳较多且氮含有比率小于50.0原子％。
将实施例1的利用扫描电子显微镜观察的表面观察照片示于图1。将比较例3的利用扫描电子显微镜观察的表面观察照片示于图2。在实施例1中，未确认到圆当量直径大于1.5μm的粗大微滴，在硬质皮膜的表面的每100μm2具有3个圆当量直径为1.0μm～1.5μm的微滴。另外，在硬质皮膜的表面的每100μm2具有两个圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴。在经镜面加工的截面观察中，在每100μm2具有一个圆当量直径为1.0μm～1.5μm的微滴，在每100μm2具有一个圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴。
另一方面，在利用电弧离子镀法包覆而成的比较例3中，圆当量直径为1.0μm以上的微滴为10个以上，并且还确认有圆当量直径为2.0μm以上的粗大微滴。另外，在硬质皮膜的表面的每100μm2具有40个左右的圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴。同样，即使在经镜面加工的截面观察中，在每100μm2也具有10个以上的圆当量直径为1.0μm以上的微滴，在每100μm2具有40个左右的圆当量直径为0.5μm以上且小于1.0μm的微滴。
在上述实施例中，使用工具直径为10mm且微滴的影响较少的大径的球头立铣刀来进行了评价。例如，由于在工具直径为1mm以下的小径工具中微滴影响更大，因此期待通过应用微滴较少的实施例的硬质皮膜来进一步改善工具寿命。
(第二实施例)
在第二实施例中，使用与第一实施例同样的工具来评价单层的硬质皮膜的物性。与第一实施例的实施例同样，使用能够搭载六个溅射蒸发源的溅射装置，并且将三个TiSi类合金靶作为气相沉积源设置在装置内。
在进行与第一实施例同样的轰击处理之后，在工具表面上包覆硬质皮膜。
就实施例20而言，在将炉内温度保持在500℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以80sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.52Pa。当对工具施加-40V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒并改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并且对3个TiSi类合金靶连续施加电力，从而包覆厚度约2.0μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为2.3kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
就实施例21而言，在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以100sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.57Pa。当对工具施加-40V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒并改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并且对3个TiSi类合金靶连续施加电力，从而包覆厚度约2.0μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为2.3kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
就实施例22而言，在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以80sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.52Pa。当对工具施加-40V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒并改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并且对3个TiSi类合金靶连续施加电力，从而包覆厚度约2.0μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为2.8kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
就比较例20而言，在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以80sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.52Pa。在对工具施加-60V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒并而改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并且对3个TiSi类合金靶连续施加电力，从而包覆厚度约2.0μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为1.5kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
就比较例21而言，在将炉内温度保持在430℃的状态下，向溅射装置的炉内以160sccm导入Ar气体，之后以60sccm导入N2气体而将炉内压力设为0.47Pa。当对工具施加-40V的直流脉冲电压，并且将施加于含有Ti和Si的合金靶的电力的每一周期的放电时间设为4.0毫秒并而改变待施加电力的合金靶时，通过将对电力施加结束的合金靶和开始施加电力的合金靶这两个合金靶同时施加电力的时间设为10微秒，并且对3个TiSi类合金靶连续施加电力，从而包覆厚度约2.0μm的硬质皮膜。此时，电力脉冲的最大电力密度为1.5kW/cm2，平均电力密度为0.37kW/cm2。
与实施例1同样，对各样品观察皮膜特性及皮膜组织。将皮膜特性的结果示于表4。
[表4]
就实施例20～22而言，Ar含有比率较低，并且氮在膜厚方向上的含有比率为50原子％以上。此外，确认到即使在距离表面的深度比200nm深的部位中，实施例20～22的硬质皮膜的氧或碳较少且氮含有比率为50.0原子％以上。在表5中示出实施例21的使用了扫描型X射线光电子分光装置(日本Ulvac-Phi株式会社制Quantum-200)的从皮膜的表面起始测量深度方向的原子浓度分布的结果。就实施例21而言，确认到氮在膜厚方向上的含有比率为51原子％以上，特别是氮含有比率变高。
就实施例20～22而言，均由微粒的晶体粒径构成，在微观组织观察中未确认到圆当量直径为5nm以上的粗大的非晶质相。并且，就实施例20～22而言，在表面及截面观察中，未确认到圆当量直径大于1.5μm的微滴，在每100μm2具有三个以下的圆当量直径为1.0μm～1.5μm的微滴。
就比较例20而言，虽然氮在膜厚方向上的含有比率为50.0原子％以上，但由于在成膜时加大施加于基材的负脉冲电压的绝对值，因此Ar含有比率较高。
就比较例21而言，成膜时的氮气流量较少，氮在膜厚方向上的含有比率小于50.0原子％。在表6中示出实施例21的使用了扫描型X射线光电子分光装置(日本Ulvac-Phi株式会社制Quantum-200)的从皮膜的表面起始测量深度方向的原子浓度分布的结果。即使应用对靶依次施加电力的溅射法，如果成膜时的氮气流量不适当，则难以将氮在硬质皮膜的膜厚上的含有比率设为50.0原子％以上。
[表5]
[表6]
实施例20～22与比较例20、21相比，具有呈现更优异的工具寿命的倾向。特别是，氮含有比率较高的实施例21具有优异的工具寿命。
产业上的可利用性
本发明所涉及的包覆切削工具在高硬度钢等的切削加工中具有优异的耐久性，从而极其有用。

Claims (8)

1.一种包覆切削工具，其在工具的表面具有硬质皮膜，所述包覆切削工具的特征在于，
所述硬质皮膜为氮化物，相对于金属元素的总量，钛Ti含有比率为70原子％以上且95原子％以下，硅Si含有比率为5原子％以上且30原子％以下，相对于金属元素和非金属元素的总量，氩Ar含有比率为0.1原子％以下，
所述硬质皮膜具有NaCl型晶体结构，并且平均晶体粒径为5nm以上且30nm以下，
在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氮含有比率为50.0原子％以上，
其中，所述金属元素中的金属包含半金属。
2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氧含有比率为3原子％以下，其中，所述金属元素中的金属包含半金属。
3.根据权利要求1或2所述的所述的包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，碳含有比率为5原子％以下，其中，所述金属元素中的金属包含半金属。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质皮膜的深度20nm至200nm的每20nm的各组成中，将金属元素、氮、氧及碳的合计含有比率设为100原子％时，氧和碳的合计含有比率为3原子％以下，其中，所述金属元素中的金属包含半金属。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，
在利用透射型电子显微镜对所述硬质皮膜进行组织观察时，在50nm×50nm的范围内的圆当量直径为5nm以上的非晶质相为一个以下。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，
所述硬质皮膜的纳米压痕硬度为40Gpa以上且60GPa以下，并且弹性系数为400GPa以上且500Gpa以下。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，
在所述工具与所述硬质皮膜之间具有中间皮膜。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的包覆切削工具，其特征在于，
在观察所述硬质皮膜的表面及截面时，在每100μm2具有5个以下的圆当量直径为1.0μm以上的微滴。
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