CN111902231A

CN111902231A - 表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN111902231A
Application number: CN201980021038.8A
Authority: CN
Inventors: 木下达贵; 桥本达生; 佐藤峻; 菅原雄斗; 前川拓哉
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-11-06
Also published as: EP3778080A4; KR20200128060A; WO2019188967A1; EP3778080A1; JPWO2019188967A1; US20210016361A1

Abstract

一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体(11)上设置有下部层(2)和上部层(3)，所述下部层(2)由从工具基体(11)表面向其内部形成至预定深度的W层(4)、形成在所述W层(4)的正上方的金属碳化物层(5)及形成在所述金属碳化物层(5)的正上方的金属碳氮化物层(6)构成，所述上部层(3)由A层和B层的交替层叠结构构成，A层由以(Al_xTi_1‑x)N表示的(Al,Ti)N层构成，其中，x为原子比，且满足0.40≤x≤0.70，B层由以(Al_{1‑a‑b‑c‑d}Ti_aCr_bSi_cY_d)N表示的(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层构成，其中，a、b、c、d为原子比，且满足0≤a≤0.40、0.05≤b≤0.40、0≤c≤0.20、0.01≤d≤0.10。

Description

表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种在Ni基耐热合金的高速切削加工中，硬质包覆层不会产生剥离等，发挥优异的耐崩刃性和耐磨性，且在长期使用时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)。

本申请主张基于2018年3月27日于日本申请的专利申请2018-059674号的优先权，并将其内容援用于此。

背景技术

通常，作为包覆工具，已知有如下工具：装卸自如地安装在车刀的前端部来用于各种钢或铸铁等工件材料的车削加工或刨削加工的可转位刀片、用于所述工件材料的钻孔切削加工等的钻头或微型钻头、用于所述工件材料的端面切削加工或槽加工、台阶加工等的立铣刀、用于所述工件材料的齿形的切齿加工等的整体滚刀、插齿刀等。

并且，以改善包覆工具的切削性能为目的，一直以来提出了许多建议。

例如，在专利文献1中，提出了一种形成在合金钢用切削工具等的表面上的耐磨性优异的硬质皮膜及用于形成这种硬质皮膜的方法，作为所述耐磨性优异的硬质皮膜，提出了由M_aCr_bAl_cSi_dB_eY_fZ构成的硬质皮膜(其中，M为选自元素周期表第IVB族元素、第VB族元素、第VIB族元素(Cr除外)中的至少一种元素，Z表示N、CN、NO或CNO中的任一个，且满足a+b+c+d+e+f＝1、0＜a≤0.3、0.05≤b≤0.4、0.4≤c≤0.8、0≤d≤0.2、0≤e≤0.2、0.01≤f≤0.1(a、b、c、d、e及f分别表示M、Cr、Al、Si、B及Y的原子比))。

并且，记载了如下内容：能够将Ti选作所述M，并且在所述M为Ti的情况下，所述c设为0.5≤c≤0.8且所述f设为0.02≤f≤0.1，所述硬质皮膜能够由彼此不同的组成交替层叠而成。

而且，记载了如下内容：所述硬质皮膜能够通过将基体装入到AIP装置内，并在由Ar离子形成的特定的条件(例如，压力：0.6Pa、电压：500V、时间：5分钟)下实施基体的清洗之后，利用阴极放电电弧离子电镀法来形成。

并且，在专利文献2中，提出了一种包覆切削工具，其为了提高适用于钢或Ni基耐热合金等的切削加工的包覆切削工具的耐久性，而具备基材、设置在基材上的中间皮膜及设置在中间皮膜上的硬质皮膜，所述中间皮膜的纳米束衍射图被标引为WC的晶体结构，其由含有W和Ti的碳化物构成，且膜厚为1nm以上且10nm以下，所述硬质皮膜是晶体结构为面心立方晶格结构的氮化物或碳氮化物，至少含有Al、Ti及Y，在将含有半金属的金属元素的含有比率(原子％)的总计设为100％的情况下，Al的含有比率(原子％)为60％以上且75％以下，Ti的含有比率(原子％)为20％以上且35％以下，Y的含有比率(原子％)为1％以上且5％以下。

并且，为了形成所述中间皮膜，优选使用如具有在靶的外周配备线圈磁铁而将电弧斑限制在靶内部的磁场结构的阴极来实施Ti轰击，而且，作为其具体处理条件，优选将对基材施加的负偏压设为-1000V～-700V，优选将接通到靶的电流设为80A～150A，优选将轰击处理前的基材的加热温度设为450℃以上，优选将Ti轰击处理设为3分钟～7分钟，Ti轰击可以在导入氩气、氮气、氢气、烃气等的同时实施，但优选在1.0×10^-2Pa以下的真空的炉内气氛中实施。

并且，在专利文献3中，提出了一种包覆工具及其制造方法，其以改善皮膜和基材的密合强度并提高合金工具钢(SKD11)的切削加工中的耐剥离性和耐磨性为目的，且以WC基硬质合金为基材。

根据专利文献3的记载，该包覆工具在WC基硬质合金基材的表面上具有晶体结构由bcc结构构成的W改性相(优选其平均厚度为10～300nm)，所述W改性相为通过选自Ti、Zr、Hf、Nb及Ta中的1种以上的金属的离子照射而使所述基材的WC分解成W和C而形成的W，在所述W改性相的正上方具有选自Ti、Zr、Hf、Nb及Ta中的一种以上的金属的碳化物相，在所述碳化物相的正上方具有硬质皮膜(该硬质皮膜优选至少一层为含有选自Ti、Cr、W、Nb、Y、Ce、Si及B中的一种以上的元素和Al的氮化物)。

并且，该包覆工具能够通过对基材进行离子轰击处理的第一工序和形成硬质皮膜的第二工序来制造，进行所述离子轰击处理的第一工序中，对基材施加-1000～-600(V)的负偏压，在压力0.01Pa～2Pa下，使用氢气和Ar或N₂的混合气体(其中，所述混合气体的氢气体积比率为1％～20％。)使阴极物质(选自Ti、Zr、Hf、Nb及Ta中的一种以上的金属)从电弧放电式蒸发源蒸发，对基材照射从所述阴极物质蒸发的金属离子，由此将基材的表面温度设为800～860℃的范围，在基材的表面上形成晶体结构由bcc结构构成的W改性相，并且在所述W改性相的正上方形成选自Ti、Zr、Hf、Nb及Ta中的一种以上的金属的碳化物相，进一步在所述碳化物相的正上方形成硬质皮膜。

专利文献1：日本专利第4713413号公报

专利文献2：日本特开2017-001147号公报

专利文献3：日本专利第5098726号公报

近年来，切削加工装置的FA化(工厂自动化)的进步显著，而另一方面，对切削加工仍强烈要求节省劳力、节能及降低成本，伴随于此，切削加工越发趋于高速化/高效化，并且趋于要求如能够进行尽可能多的种类的工件材料的切削加工的具有通用性的切削工具。

在所述专利文献1、3所示的以往的包覆工具中，在将其用于合金钢的切削加工的情况下，并不会发生特别的问题，但将其提供到例如以Inconel718(注册商标)为代表的Ni基耐热合金的高速铣削加工、高速钻孔加工中的情况下，尽管较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上，但工具基体与硬质包覆层的密合性并不充分。因此，会发生剥离等异常损伤，导致使用寿命变短，而这便是现状。

并且，在专利文献2中，作为硬质皮膜，设置了至少含有Al、Ti及Y的立方晶结构的氮化物层或碳氮化物层，并且在工具基体与硬质皮膜之间设置了通过Ti轰击处理形成的中间皮膜，由此提高了Ni基耐热合金等的切削加工中的包覆工具的耐久性。然而，在如Ni基耐热合金的高速铣削加工、高速钻孔加工那样的较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的切削加工中，中间皮膜和硬质皮膜间的密合性并不充分，因此容易发生剥离，导致使用寿命变得较短，而这便是现状。

发明内容

因此，本发明人从上述观点考虑，为了开发出在如Ni基耐热合金等的高速铣削加工、高速钻孔加工那样的伴随高热的产生且在较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的切削加工条件下，硬质包覆层具备优异的耐熔敷性、耐崩刃性、耐缺损性、耐剥离性且在长期使用时发挥优异的耐磨性的包覆工具，进行了深入研究的结果，得到如下见解。

首先，本发明人对作为合金钢用的切削工具提出的所述专利文献1中公开的硬质皮膜调查了作为Ni基耐热合金的切削工具的可适用性。发现在由组成式：(Al_1-a-b-c- _dTi_aCr_bSi_cY_d)N表示的情况下，从Ni基耐热合金的高速切削加工中的耐熔敷性的观点考虑，具备硬质包覆层(以下，有时由“(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层”表示)的包覆工具是优选的，该硬质包覆层具有满足0≤a≤0.40、0.05≤b≤0.40、0≤c≤0.20、0.01≤d≤0.10(其中，a、b、c、d均为原子比)的平均组成。

即，在上述包覆工具中，尤其，硬质包覆层中含有的Y成分在硬质包覆层的最表面上生成稳定氧化物，该氧化物提高耐熔敷性，而且Y成分均匀地存在于硬质包覆层中。因此，即使进行切削加工，Y的氧化物也始终存在于硬质包覆层的最表面，耐熔敷性也不会降低。

然而，若使上述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层的层厚过厚，则包覆工具的寿命会因发生崩刃、缺损、剥离等而变短。

因此，为了提供不发生崩刃、缺损、剥离等且在长期使用时发挥优异的耐磨性的包覆工具，本发明人将硬质包覆层构成为上述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层与Al和Ti的复合氮化物层(以下，有时由“(Al,Ti)N层”表示)的交替层叠结构。而且，在对工具基体表面实施由所述专利文献2、3教示的轰击处理之后，形成了由所述交替层叠结构构成的硬质包覆层，其结果，在Ni基耐热合金的高速切削加工中，崩刃、缺损的发生得到抑制，工具寿命得到了一定程度的延长。然而，未能抑制剥离的发生，仍不能说其具备了足以令人满意的工具特性。

本发明人对所述专利文献2、3所示的轰击处理进行了进一步研究，其结果发现，变更金属离子轰击处理条件，形成具有与专利文献2、3所述的下部层不同的层结构的下部层，经由所述下部层形成硬质包覆层，由此能够大幅提高硬质包覆层与工具基体之间的密合性改善效果。并且，其结果发现，在Ni基耐热合金的高速切削加工中，在能够抑制剥离的发生的同时，能够抑制熔敷、崩刃、缺损等异常损伤的发生，因此可获得在长期使用时发挥优异的耐磨性的包覆工具。

即，本发明人在对选自Ti、Cr、Zr、Hf、Nb及Ta中的任一种金属进行离子轰击作为对工具基体的金属离子轰击时，将其处理气氛设为1×10^-3Pa以下的高真空，将工具基体的处理温度提升至约750～800℃，并且加长处理时间(例如，30分钟以上且60分钟以下)。由此，发现通过形成与所述专利文献2、3所述的下部层不同的下部层(具体而言，由W层(钨层)、形成在所述层的正上方的金属碳化物层及形成在所述金属碳化物层的正上方的金属碳氮化物层构成的下部层)，能够提高硬质包覆层与工具基体的密合性。

并且，发现通过在硬质包覆层与工具基体之间介入形成这种下部层，可获得如下包覆工具：在伴随高热的产生且较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的Ni基耐热合金的高速切削加工中，抑制剥离的发生，而且抑制熔敷、崩刃、缺损等异常损伤的发生，在长期使用时发挥优异的切削性能。

本发明是根据上述见解而完成的，本发明所涉及的表面包覆切削工具具有下述(1)～(3)的结构。

(1)一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上设置有下部层，且在所述下部层的表面设置有交替层叠结构的上部层，具有(a)～(g)的特征。

(a)所述下部层由W层、金属碳化物层及金属碳氮化物层构成。

(b)所述W层从工具基体表面向其内部形成至10～500nm的深度。

(c)所述金属碳化物层为选自Ti、Cr、Zr、Hf、Nb及Ta中的任一种的金属碳化物层，其具有5～500nm的平均层厚，且形成在所述W层的正上方。

(d)所述金属碳氮化物层为包含所述金属碳化物层所含有的金属成分的金属碳氮化物层，其具有5～300nm的平均层厚，且形成在所述金属碳化物层的正上方。

(e)所述上部层由至少交替层叠有一层A层和一层B层的交替层叠结构构成，且具有1.0～8.0μm的总平均层厚。

(f)所述A层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al和Ti的复合氮化物层，在由组成式：(Al_xTi_1-x)N表示其组成的情况下，具有满足0.40≤x≤0.70(其中，x为原子比)的平均组成。

(g)所述B层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al、Ti、Cr、Si及Y的复合氮化物层，在由组成式：(Al_1-a-b-c-dTi_aCr_bSi_cY_d)N表示其组成的情况下，具有满足0≤a≤0.40、0.05≤b≤0.40、0≤c≤0.20、0.01≤d≤0.10(其中，a、b、c、d均为原子比)的平均组成。

(2)根据所述(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述表面包覆切削工具为表面包覆刀片、表面包覆立铣刀、表面包覆钻头中的任一个。

(3)一种Ni基耐热合金高速切削加工用表面包覆切削工具，其中，其由所述(1)或(2)所述的表面包覆切削工具构成。

本发明的包覆工具具备下部层和上部层，所述下部层由从工具基体表面形成至其内部的预定深度的W层、形成在所述W层的表面的金属碳化物层及形成在所述金属碳化物层的表面的金属碳氮化物层构成，所述上部层由交替层叠结构构成，所述交替层叠结构至少交替层叠有一层由(Al,Ti)N层构成的A层和一层由(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层构成的B层，通过介入形成在工具基体与上部层之间的所述下部层来提高工具基体和上部层的密合强度，并且所述上部层具备优异的耐熔敷性、耐崩刃性、耐缺损性、耐磨性。

因此，本发明的包覆工具在伴随高热的产生且较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的Ni基耐热合金的高速切削加工中，抑制剥离的发生，而且抑制熔敷、崩刃、缺损等异常损伤的发生，在长期使用时发挥优异的切削性能。

附图说明

图1是表示一种实施方式所涉及的包覆工具的概略纵截面示意图的一例。

图2A是表示用于形成一实施方式所涉及的包覆工具的上部层的电弧离子镀装置(另外，未图示金属离子轰击用的金属靶)的概略俯视图的一例。

图2B是表示用于形成一实施方式所涉及的包覆工具的上部层的电弧离子镀装置(另外，未图示金属离子轰击用的金属靶)的概略主视图的一例。

具体实施方式

图1是表示本实施方式所涉及的表面包覆工具的概略纵截面示意图。

如图1所示，本实施方式所涉及的包覆工具在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体11形成有由下部层2及由交替层叠结构构成的上部层3。

所述下部层2由W层4、金属碳化物层5及金属碳氮化物层6构成，但所述W层4并不形成在工具基体11的表面上，而是从工具基体11的表面向其内部形成至10～500nm的平均深度。

并且，所述金属碳化物层5以5～500nm的平均层厚形成在所述W层4的正上方，而且所述金属碳氮化物层6以5～300nm的平均层厚形成在所述金属碳化物层5的正上方。并且，由W层4、金属碳化物层5及金属碳氮化物层6构成的所述下部层2的表面上形成有上部层3，该上部层3由至少交替层叠有一层A层和一层B层的交替层叠结构构成且具有1.0～8.0μm的总平均层厚。

[平均层厚的测定方法]

层厚的测定是使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出纵截面、并通过使用扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)、俄歇电子能谱法(Auger Electron Spectroscopy：AES)或使用电子探针显微分析仪(ElectronProbe Micro Analyzer：EPMA)的截面测定来进行的。具体而言，求出上部层的各层的层厚的方法如下。对工具的纵截面进行相对于基体表面的法线方向的组成的线分析。基于由此获得的成分含量变化曲线，将A层和B层的边界设为B层中的Cr含量的增加开始位置及减少开始位置。由此，A层的层厚以Cr含量的减少开始位置至Cr含量的增加开始位置为基准而求出，并且，B层的层厚以Cr含量的增加开始位置至Cr含量的减少开始位置为基准而求出。平均层厚是指，进行5次上述测定方法来计算出的平均值。

图2A及图2B表示用于形成所述本实施方式所涉及的表面包覆工具的层结构的电弧离子镀(以下，称为“AIP”)装置10(另外，未图示金属离子轰击处理用的金属靶)。在预定条件下对配置在AIP装置10的旋转台上的工具基体11的表面进行金属离子轰击，形成由W层4、金属碳化物层5及金属碳氮化物层6构成的下部层2，然后，交替层叠A层和B层而形成上部层3，由此能够制作出具有层结构的本实施方式所涉及的表面包覆切削工具。

[下部层]

构成下部层2的W层4、金属碳化物层5的层均为通过金属离子轰击处理形成的层。

关于构成所述下部层2的层中的W层4及所述W层4正上方的金属碳化物层5，通过金属离子轰击(照射)而使工具基体11的表面附近的WC分解成W和C，由此W层4从工具基体11的表面形成至预定深度，并且被离子轰击的金属与C反应而在所述W层4的表面生成金属碳化物层5。

在此，若所形成的W层4的平均厚度(深度)小于10nm，则正上方的金属碳化物层5无法充分形成，无法获得与硬质层的充分的密合强度。另一方面，若其平均厚度超出500nm，则硬质包覆层会因工具基体11的表面的脆化而变得容易剥离，因此将从工具基体11的表面向其内部形成的W层4的平均厚度(深度)设为10～500nm以下。更优选为20nm～300nm。

并且，如上所述，形成在所述W层4正上方的金属碳化物层5通过被轰击的金属离子与从WC分解成W和C之后的C反应而形成，但若其平均层厚小于5nm，则W层4的厚度也会过于变薄，提高与硬质层的密合性的效果较小，另一方面，若其平均层厚超出500nm，则结果W层4的平均厚度(深度)会超出500nm，因此导致工具基体11的表面的脆化。因此，将形成在W层4正上方的金属碳化物层5的平均层厚设为5～500nm。更优选为10nm～300nm。

[W层的平均厚度(深度)的测定方法]

W层的厚度(深度)的测定是使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出纵截面、并通过使用扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)、俄歇电子能谱法(Auger Electron Spectroscopy：AES)或使用电子探针显微分析仪(Electron Probe Micro Analyzer：EPMA)的截面测定来进行的。具体而言，求出W层的厚度(深度)的方法如下。对工具的纵截面进行相对于基体表面的法线方向的组成的线分析。基于由此获得的成分含量变化曲线，如下定义各层的边界。首先，将WC和W层的边界设为W含量的增加开始位置。并且，将W层和金属碳化物层的边界设为表示W的含量变化的曲线与表示构成金属碳化物层的金属成分的含量变化的曲线的交点。由此，W层的厚度(深度)以所述W含量增加开始位置、及表示W的含量变化的曲线与表示构成金属碳化物层的金属成分的含量变化的曲线的交点为基准而求出。W层的平均厚度是指，进行5次上述测定方法来计算出的平均值。

[金属碳化物层的平均厚度的测定方法]

金属碳化物层的厚度的测定是使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出纵截面、并通过使用扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)、俄歇电子能谱法(Auger Electron Spectroscopy：AES)或使用电子探针显微分析仪(Electron Probe Micro Analyzer：EPMA)的截面测定来进行的。具体而言，求出金属碳化物层的厚度的方法如下。对工具的纵截面进行相对于基体表面的法线方向的组成的线分析。基于由此获得的成分含量变化曲线，如下定义各层的边界。首先，将W层和金属碳化物层的边界设为表示W的含量变化的曲线与表示构成金属碳化物层的金属成分的含量变化的曲线的交点。并且，将金属碳化物层和金属碳氮化物层的边界设为N含量的增加开始位置。由此，金属碳化物层的厚度以表示所述W的含量变化的曲线与表示构成金属碳化物层的金属成分的含量变化的曲线的交点、及N含量的增加开始位置为基准而求出。金属碳化物层的平均厚度是指，进行5次上述测定方法来计算出的平均值。

[金属碳氮化物层的平均厚度的测定方法]

金属碳氮化物层的厚度的测定是使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出纵截面、并通过使用扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)、俄歇电子能谱法(Auger Electron Spectroscopy：AES)或使用电子探针显微分析仪(Electron Probe Micro Analyzer：EPMA)的截面测定来进行的。具体而言，求出金属碳氮化物层的厚度的方法如下。对工具的纵截面进行相对于基体表面的法线方向的组成的线分析。基于由此获得的成分含量变化曲线，如下定义各层的边界。首先，将金属碳化物层和金属碳氮化物层的边界设为N含量的增加开始位置。并且，将金属碳氮化物层和上部层的边界设为表示构成金属碳氮化物层的金属成分的含量变化的曲线与表示构成上部层的金属成分的含量变化的曲线的交点。由此，金属碳氮化物层的厚度以所述N含量的增加开始位置、及表示构成金属碳氮化物层的金属成分的含量变化的曲线与表示构成上部层的金属成分的含量变化的曲线的交点为基准而求出。金属碳氮化物层的平均厚度是指，进行5次上述测定方法来计算出的平均值。

并且，金属碳氮化物层6形成在所述金属碳化物层5的表面，但该金属碳氮化物层6为在金属离子轰击处理之后蒸镀形成上部层3时形成的层。在高真空下经长时间(30～60分钟)进行金属离子轰击处理而形成所述W层4和所述金属碳化物层5之后，进一步在氮气氛下蒸镀形成上部层3，由此能够形成所述金属碳氮化物层6。通过该形成方法，形成包含所述金属碳化物层5所含有的金属成分的金属碳氮化物层6。

该金属碳氮化物层6与金属碳化物层5的密合强度优异，同时与形成在金属碳氮化物层6的表面上的硬质层(尤其，由Al和Ti的复合氮化物层构成的A层)的密合性优异。因此，可抑制伴随高热的产生且较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的Ni基耐热合金的高速切削加工中的硬质层的剥离的发生。然而，若金属碳氮化物层6的平均层厚小于5nm，则无法充分发挥与上述金属碳化物层5及A层的密合性，并且，若其平均层厚超出300nm，则层内的应变增加，反而导致密合力的降低。因此，将金属碳氮化物层6的平均层厚设为5～300nm。更优选为10～200nm。

[下部层的形成]

更具体而言，将所述下部层2的形成方法的一例进行例如如下的阐述。

首先，在AIP装置10内的旋转台12上将工具基体11载置成能够自转，将装置内保持为1×10^-3Pa以下的高真空，并将工具基体11的温度加热至约500℃，接着，将工具基体11的温度提升至约750～800℃，并在金属离子轰击处理中维持该温度，接着，对工具基体11施加约-1000V的偏压，使约100A的电弧电流流过金属离子轰击用靶(例如，Ti靶)，并将该处理持续约30～60分钟，由此进行金属离子轰击处理，从工具基体11表面向其内部形成W层4至预定的深度，同时在W层4表面形成预定厚度的金属碳化物层5，进而，在蒸镀形成上部层3时，通过上部层3与金属碳化物层5之间的扩散反应来形成金属碳氮化物层6。

通过所述方法，能够在工具基体11形成由预定深度的W层4、预定平均层厚的金属碳化物层5、预定平均层厚的金属碳氮化物层6构成的下部层2。

所述W层4、金属碳化物层5及金属碳氮化物层6优选在工具基体11上形成为层状，但有时也会例如在WC粒子上优先形成为岛状，此时也能够获得改善基材与硬质包覆层的密合强度的效果。

作为构成所述金属碳化物层5的金属的种类，优选选自Ti、Cr、Zr、Hf、Nb及Ta中的任一种金属，尤其优选Ti、Cr。

这是因为，在对构成金属碳化物层5的所述金属进行离子轰击时，所述各金属比W更容易形成碳化物，因此在工具基体11表面附近与分解成W和C之后的C反应，其结果，金属碳化物层5形成在W层4表面。

并且，金属碳氮化物层6为包含所述金属碳化物层5所含有的金属成分的碳氮化物层，作为构成金属碳氮化物层6的金属的种类，优选选自Al、Ti、Cr、Zr、Hf、Nb及Ta中的至少一种以上的金属，尤其优选Ti、Cr。

通过形成所述金属碳氮化物层6，可缓和与上部层3的界面上的晶格失配，因此提高与上部层3的密合强度。

金属碳氮化物层6的碳与氮之比并无限定，但优选氮的原子浓度相对于碳和氮的总原子浓度的比例以金属碳氮化物层6内的平均计为0.1～0.9，更优选为0.1～0.6。

通过使构成金属碳化物层5的金属与构成金属碳氮化物层6的金属为相同种类的金属(例如，Ti碳化物层和Ti碳氮化物层)，存在能够连续进行金属离子轰击处理和金属碳氮化物层形成处理的优点。

然而，并不限定于相同种类的金属，也可以为不同种类的金属。另外，在本发明的金属离子轰击处理中，有时在形成下部层2时的反应过程中，W粒子会部分残留在层内，但即使在该情况下，也可发挥提高下部层2的密合力的效果。

[上部层]

形成在所述下部层2上的上部层3由至少交替层叠有一层A层和一层B层的交替层叠结构构成，且具有1.0～8.0μm的总平均层厚。

A层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al和Ti的复合氮化物(以下，有时由“(Al,Ti)N”表示。)层，在由组成式：(Al_xTi_1-x)N表示其组成的情况下，具有满足0.40≤x≤0.70(其中，x为原子比)的平均组成。

B层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al、Ti、Cr、Si及Y的复合氮化物(“(Al,Ti,Cr,Si,Y)N”)层，在由组成式：(Al_1-a-b-c-dTi_aCr_bSi_cY_d)N表示其组成的情况下，具有满足0≤a≤0.40、0.05≤b≤0.40、0≤c≤0.20、0.01≤d≤0.10(其中，a、b、c、d均为原子比)的平均组成。

与所述A层相关的组成式中的N/(Ti+Al+N)的值及与所述B层相关的组成式中的N/((Al+Ti+Cr+Si+Y+N)的值无需一定是化学计量比的0.5。除因工具基体11表面的污染的影响等而不可避免地检测出的碳或氧等元素以外，只要将Ti、Al、N的含有比例的原子比定量化，并且将Al、Ti、Cr、Si、Y、N的含有比例的原子比定量化，使N/(Ti+Al+N)的值或N/((Al+Ti+Cr+Si+Y+N)的值在0.45以上且0.65以下的范围内，则可获得与所述化学计量比为0.5的A层或B层相同的效果，因此并无特别问题。

[构成上部层的A层的(Al,Ti)N层]

关于由(Al,Ti)N层构成的所述A层，在其单层平均层厚小于0.1μm的情况下，提高耐磨性的效果、提高耐缺损性的效果并不充分，而另一方面，若单层平均层厚超出5.0μm，则A层的内部应变增加而容易自毁，因此将A层的单层平均层厚设为0.1～5.0μm。

并且，在A层的组成式：(Al_xTi_1-x)N中，在表示Al的平均组成的x的值小于0.40的情况下，下部层2的金属碳氮化物层6与A层的密合强度、及A层与B层的密合强度增加，另一方面，A层的高温硬度及高温耐氧化性降低。另一方面，在x的值超出0.70的情况下，容易形成六方晶结构的晶粒，A层的硬度降低而无法获得充分的耐磨性。

因此，将表示Al的平均组成的x的值设为0.40≤x≤0.70。

表示Al的平均组成的x的值更优选为0.50≤x≤0.70。

A层中的Al成分的平均组成x能够通过使用SEM-EDS在A层的纵截面的多个位置(例如，5个位置)测定Al成分量并对其测定值进行平均来求出。

纵截面的多个位置从随机选择的一个位置开始以各位置之间的距离为100nm～200nm的方式至少选择5个位置以上。

[构成上部层的B层的(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层]

构成上部层3的B层的(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层中的Al成分具有提高高温硬度和耐热性的效果，其Ti成分具有提高高温硬度的效果，其Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用，并且在与Al及Cr一并含有的状态下具有提高高温耐氧化性的作用，而且其Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用，并且，如上所述，Y成分具有在提高耐熔敷性并提高耐氧化性的作用。

若表示所述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层中的Ti在Al、Ti、Cr、Si及Y的总量中所占的含有比例的a值(原子比)超出0.40，则包覆工具的耐久性会因Al的含有比例相对降低而降低，因此a值设定为0～0.40。

若表示所述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层中的Cr的含有比例的b值(原子比)小于0.05，则无法确保设为所需最低限的高温韧性、高温强度，因此无法抑制崩刃、缺损的发生，另一方面，若该b值超出0.40，则会因Al含有比例相对减少促进磨损的进行，因此将b值设定为0.05～0.40。

若表示所述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层中的Si的含有比例的c值(原子比)超出0.20，则耐热塑性变形性的提高会饱和，另一方面，提高耐磨性的效果趋于降低，因此将c值设定为0～0.20。

若表示所述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层中的Y的含有比例的d值(原子比)小于0.01，则无法期待提高耐熔敷性、耐氧化性的效果，另一方面，若该d值超出0.10，则会生成六方晶结构的AlN，使B层的硬度降低，因此将d值设定为0.01～0.10。

上述a、b、c、d的优选范围为0≤a≤0.30、0.10≤b≤0.30、0.05≤c≤0.15、0.05≤d≤0.08。

关于由所述(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层构成的B层，若其单层平均层厚小于0.1μm，则在长期使用时无法发挥优异的耐磨性，另一方面，若其单层平均层厚超出5.0μm，则容易发生崩刃、缺损，因此将由(Al,Ti,Cr,Si,Y)N层构成的B层的单层平均层厚设定为0.1～5.0μm。另外，B层中的Ti成分、Cr成分、Si成分及Y成分各自的平均组成a、b、c、d能够通过使用SEM-EDS、在B层的纵截面的多个位置(例如，5个位置)测定各成分量并对其测定值进行平均来求出。

[上部层的总平均层厚]

如上所述，A层的单层平均层厚及B层的单层平均层厚分别设为0.1～5.0μm，而至少交替层叠有一层A层和一层B层的层叠结构的上部层3的总平均层厚设为1.0～8.0μm。A层的单层平均层厚及B层的单层平均层厚分别更优选为0.5～4.0μm。

这是因为，若上部层3的总平均层厚小于1.0μm，则在长期使用时无法发挥优异的耐磨性，另一方面，若总平均层厚超出8.0μm，则上部层3容易发生崩刃、缺损、剥离等异常损伤。

A层和B层优选具有至少交替层叠有各一层的层叠结构。

另外，在下部层2的表面形成上部层3的情况下，由于A层与下部层2的金属碳氮化物层6的密合强度较高，并且A层与B层的密合强度也较高，因此优选在下部层2的金属碳氮化物层6正上方设置上部层3的A层。

所述表面包覆切削工具优选为表面包覆刀片、表面包覆立铣刀、表面包覆钻头中的任一个。

所述表面包覆切削工具优选用于Ni基耐热合金高速切削加工。

实施例

以下，使用实施例对本发明进行更详细的说明，但本发明并不限定于实施例。

《实施例1》

作为原料粉末，准备了均具有0.5～5μm的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、VC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，进一步添加蜡，在丙酮中球磨混合24小时，在减压干燥之后，在98MPa的压力下冲压成型成预定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中、在以1370～1470℃的范围内的预定的温度保持1小时的条件下真空烧结，在烧结之后，对切削刃部施以珩磨加工，由此制造出具有ISO/CNMG120408中规定的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体11(刀片)1～4。

通过以下工序对所述工具基体11(刀片)1～4形成下部层和上部层，分别制造出本发明的表面包覆刀片1～8(以下，称为本发明的工具1～8)。

工序(a)：

在丙酮中分别对上述工具基体11的1～4进行超声波清洗，并在已干燥的状态下，在从图2A及图2B所示的AIP装置10的旋转台上的中心轴沿半径方向、在错开预定距离的位置沿外周部进行安装，在AIP装置10中的一侧配置了由预定组成的Al-Ti合金构成的靶13(阴极电极)，在另一侧配置了由预定组成的Al-Ti-Cr-Si-Y合金构成的靶14(阴极电极)，

工序(b)：

首先，在将装置内部进行排气而保持真空(1×10^-3Pa以下)的同时，用加热器将在所述旋转台上自转且旋转的工具基体11从约500℃依次加热至表2所示的预定的温度(金属离子轰击处理中的工具基体温度)，对工具基体11施加同样在表2中示出的偏压，使同样在表2中示出的电弧电流流过工具基体11与金属离子轰击用靶(例如，Ti)之间，以同样在表2中示出的处理时间对工具基体11施以金属离子轰击处理，由此形成了表4所示的下部层2，

工序(c)：

接着，将氮气导入到装置内作为反应气体来形成表3所示的氮分压，并且将在所述旋转台12上自转且旋转的工具基体11的温度维持在表3所示的温度范围内，并施加表3所示的直流偏压，且使150A的电流流过所述Al-Ti合金靶13与阳极电极15之间而产生电弧放电，由此在所述工具基体11的表面蒸镀形成了表4所示的组成及单层平均层厚的A层，

工序(d)：

接着，将氮气从反应气体导入口(20)导入到装置内作为反应气体来形成表3所示的氮分压，并且将在所述旋转台12上自转且旋转的工具基体11的温度维持在表3所示的温度范围内，并施加表3所示的直流偏压，且使150A的电流流过所述Al-Ti-Cr-Si-Y合金靶14与阳极电极16之间而产生电弧放电，由此在所述工具基体11的表面蒸镀形成了表4所示的组成及单层平均层厚的B层，

工序(e)：

接着，重复进行了所述(c)和(d)，直至成为上部层的总平均层厚。

通过上述工序(a)～(e)分别制造出表4所示的本发明的工具1～8。

比较例：

以比较为目的，在丙酮中分别超声波清洗在实施例1中制作出的WC基硬质合金制的工具基体11(刀片)1～4，在已干燥的状态下，在从图2A及图2B所示的AIP装置10的旋转台上的中心轴沿半径方向、在错开预定距离的位置沿外周部进行安装，与实施例1相比，变更了金属离子轰击处理条件，除此之外，以与实施例1相同的方法，分别制造出表7所示的比较例的表面包覆刀片1～6(以下，称为比较例的工具1～6)。

具体而言，如下。

关于比较例的工具1～4，如表5的比较例条件1～4所示那样，在使AIP装置10内维持表5所示的炉内气氛、炉内压力的同时，用加热器将工具基体11加热至表5所示的温度之后，对在旋转台12上自转且旋转的工具基体11施加表5所示的直流偏压，并且使表5所示的电弧电流流过金属离子轰击用靶与阳极电极之间而产生电弧放电，由此对工具基体11表面进行了轰击处理。

并且，对比较例的工具5、6进行了如表5的比较例条件5、6所示的轰击处理，但比较例条件5的处理为在所述专利文献2中公开的范围内的条件，并且比较例条件6的处理为在所述专利文献3中公开的范围内的条件。并且，比较例的工具1～4及比较例的工具5、6的轰击处理后的上部层的成膜条件如表6所示。

对上述中制作出的本发明的工具1～8及比较例的工具1～6使用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)切出纵截面，并通过使用扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM)的能量分散型X射线分析法(EDS)、俄歇电子能谱法(Auger ElectronSpectroscopy：AES)或使用电子探针显微分析仪(Electron Probe Micro Analyzer：EPMA)的截面测定，对上部层的A层、B层的成分组成、各层厚进行了5个位置的测定，并根据其平均值计算出平均组成及平均层厚。

在下部层的W层、金属碳化物层及金属碳氮化物层中，也通过使用与上部层相同的分析方法的截面的平均测定来识别各层并计算出各层厚。具体而言，求出下部层的各层的层厚的方法是如下进行的。对工具的纵截面进行了相对于基体表面的法线方向的组成的线分析。基于由此获得的成分含量变化曲线，按如下定义了各层的边界。首先，将WC和W层的边界设为W含量的增加开始位置。并且，将W层和金属碳化物层的边界设为表示W的含量变化的曲线与表示构成金属碳化物层的金属成分的含量变化的曲线的交点。而且，将金属碳化物层和金属碳氮化物层的边界设为N含量的增加开始位置。并且，将金属碳氮化物层和上部层的边界设为表示构成金属碳氮化物层的金属成分的含量变化的曲线与表示构成上部层的金属成分的含量变化的曲线的交点。由此，以所述W含量、N含量的增加开始位置或各曲线的交点为基准求出W层的深度、金属碳化物层的层厚及金属碳氮化物层的层厚。

并且，在工具的纵截面上的5个位置重复该测定，并将其平均值作为下部层的各层的平均层厚。

在表4、表7中示出测定/计算出的各值。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

※表示不满足本申请请求保护的范围的技术方案

接着，在用固定夹具将上述本发明的工具1～8及比较例的工具1～6均螺丝固定到工具钢制车刀的前端部的状态下，实施基于下述条件(称为切削条件1)的Ni基耐热合金的湿式连续切削加工试验，测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

＜切削条件1＞

工件材料：Ni基耐热合金(Cr19质量％-Fe19质量％-Mo3质量％-Ti0.9质量％-Al0.5质量％-Ni剩余部分)的圆棒、

切削速度：100m/min.、

切削深度：0.5mm、

进给：0.15mm/rev.、

切削时间：10分钟、

切削油：水溶性冷却液

在表8中示出其结果。

[表8]

(表中，比较例栏的(※)表示直至因剥离、熔敷、崩刃或磨损等而达到使用寿命为止的切削时间(分钟))

《实施例2》

在实施例1所示的条件下，对表1所示的配合组成的原料粉末进行烧结，形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体，进而通过磨削加工从所述圆棒烧结体分别制造出切削刃部的直径×长度为6mm×12mm的尺寸且具有螺旋角为30度的4刃正方形状的WC基硬质合金制工具基体11(立铣刀)1～4。

接着，对所述工具基体11(立铣刀)1～4，使用AIP装置10通过与实施例1的工序(a)～(e)相同的工序制造出表9所示的本发明的表面包覆立铣刀11～18(以下，称为本发明的工具11～18)。

对在上述中制作出的本发明的工具11～18，通过与实施例1相同的方法识别出下部层的W层、金属碳化物层及金属碳氮化物层并计算出各层厚。在上部层的A层、B层中，也计算出各成分的平均组成、平均层厚。

在表9中示出测定/计算出的各值。

[表9]

接着，对上述本发明的工具11～18的立铣刀实施基于下述条件(称为切削条件2)的Ni基耐热合金的侧面切削加工试验，测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

＜切削条件2＞

工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的Ni基耐热合金(Cr19质量％-Fe19质量％-Mo3质量％-Ti0.9质量％-Al0.5质量％-Ni剩余部分)的板材、

切削速度：40m/min、

旋转速度：2100min.^-1、

切削深度：ae 0.3mm、ap 6mm、

进给速度(每一刃)：0.03mm/刃、

切削长度：10m、

在表10中示出切削试验结果。

[表10]

《实施例3》

使用在上述实施例2中制造出的直径为10mm的圆棒烧结体，通过磨削加工从该圆棒烧结体制造出槽形成部的直径×长度为6mm×30mm的尺寸且具有螺旋角均为30度的2刃形状的WC基硬质合金制工具基体11(钻头)。

接着，对该工具基体11(钻头)的切削刃施以珩磨，在丙酮中进行超声波清洗，并进行了干燥。

接着，装入到AIP装置10中，在与所述实施例1相同的条件下，制造出具备表11所示的下部层、上部层的本发明的表面包覆钻头21～28(以下，称为本发明的工具21～28)。

以与实施例1相同的方法，对在上述中制作出的本发明的工具21～28识别出下部层的W层4、金属碳化物层5及金属碳氮化物层6，并计算出各层厚。在上部层的A层、B层中，也计算出各成分的平均组成、平均层厚。

在表11中示出测定/计算出的各值。

[表11]

接着，对上述本发明的工具21～28实施基于下述条件(称为切削条件3)的Ni基耐热合金的湿式钻孔切削加工试验，测定了将钻孔加工数设为30孔时的切削刃的后刀面磨损宽度。

＜切削条件3＞

切削速度：13.7m/min.、

进给：0.06mm/rev、

孔深度：12mm、

在表12中示出切削试验结果。

[表12]

由表8、表10、表12所示的结果可知，本发明的工具1～8、11～18、21～28在伴随高热的产生且较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃的Ni基耐热合金的高速切削加工中不发生剥离，而且也不发生熔敷、崩刃、缺损等异常损伤，在长期使用时发挥优异的耐磨性。

相对于此，比较例的工具1～6因作用于切削刃的切削加工时的热负荷、机械负荷而发生剥离、崩刃、缺损等，而且寿命也短。

产业上的可利用性

本发明的包覆工具在伴随高热的产生且较大的热负荷、机械负荷作用于切削刃上的Ni基耐热合金的高速切削加工中，抑制剥离的发生，而且抑制熔敷、崩刃、缺损等异常损伤的发生，在长期使用时发挥优异的切削性能。

符号说明

2-下部层，3-上部层，4-W层(钨层)，5-金属碳化物层，6-金属碳氮化物层，10-AIP装置(电弧离子镀装置)，11-工具基体，12-旋转台，13-Al-Ti合金靶(蒸发源)，14-Al-Ti-Cr-Si-Y合金靶(蒸发源)，15、16-阳极电极，17、18-电弧电源，19-偏置电源，20-反应气体导入口，21-排气口。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，其特征在于，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上设置有下部层，且在所述下部层的表面设置有交替层叠结构的上部层，

a.所述下部层由W层、金属碳化物层及金属碳氮化物层构成，

b.所述W层从工具基体表面向其内部形成至10～500nm的深度，

c.所述金属碳化物层为选自Ti、Cr、Zr、Hf、Nb及Ta中的任一种的金属碳化物层，其具有5～500nm的平均层厚，且形成在所述W层的正上方，

d.所述金属碳氮化物层为包含所述金属碳化物层所含有的金属成分的金属碳氮化物层，其具有5～300nm的平均层厚，且形成在所述金属碳化物层的正上方，

e.所述上部层由至少交替层叠有一层A层和一层B层的交替层叠结构构成，且具有1.0～8.0μm的总平均层厚，

f.所述A层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al和Ti的复合氮化物层，在由组成式：(Al_xTi_1-x)N表示其组成的情况下，具有满足0.40≤x≤0.70的平均组成，其中，x为原子比，

g.所述B层为具有0.1～5.0μm的单层平均层厚的Al、Ti、Cr、Si及Y的复合氮化物层，在由组成式：(Al_1-a-b-c-dTi_aCr_bSi_cY_d)N表示其组成的情况下，具有满足0≤a≤0.40、0.05≤b≤0.40、0≤c≤0.20、0.01≤d≤0.10的平均组成，其中，在(Al_1-a-b-c-dTi_aCr_bSi_cY_d)N中，a、b、c、d均为原子比。

2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述表面包覆切削工具为表面包覆刀片、表面包覆立铣刀、表面包覆钻头中的任一个。

3.一种Ni基耐热合金高速切削加工用表面包覆切削工具，其中，其由权利要求1或2所述的表面包覆切削工具构成。