CN112055632B

CN112055632B - 包覆切削工具及其制造方法

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Publication number: CN112055632B
Application number: CN201980029433.0A
Authority: CN
Inventors: 府玻亮太郎
Original assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: WO2019230166A1; JPWO2019230166A1; EP3804891A1; US11511352B2; US20210162510A1; EP3804891A4; KR102421533B1; CN112055632A; JP6927431B2; KR20200136991A

Abstract

一种包覆切削工具(40)，作为硬质被膜从基材(31)侧依次具有基材侧单层部(33)和层叠部(34)。基材侧单层部(33)由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B。层叠部(34)由氮化物主体的a层和氮化物主体的b层交替层叠而成，该氮化物主体的a层中，以金属(含半金属)元素的比例计Ti最多，且至少含有B；该氮化物主体的b层中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，且至少含有Cr与B。a层和b层在膜厚方向上的层叠周期为5～100nm。由基材侧单层部(33)和层叠部(34)构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。

Description

包覆切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及发挥优异的耐磨损性的包覆切削工具及其制造方法。

本申请基于2018年5月30日于日本申请的专利申请2018-103480号主张优先权，在此引用其内容。

背景技术

提出了在严苛的切削加工(高进给加工、高速加工等)中使用的各种包覆切削工具。

日本专利第4714186号公报(专利文献1)公开了一种具有多层被膜层的包覆切削工具，该多层被膜层为在基材上交替地层叠各两层以上的第一成膜层和第二成膜层而成，所述第一成膜层由(AlCrB)N或(AlCrB)CN和不可避免的杂质构成，所述第二成膜层由SiN、SiCN、CN或CNB和不可避免的杂质构成。

日本特表2018-505310号公报(专利文献2)公开了一种涂层，在基材上依次具有由(AlCr)N构成的基层212、层叠由(AlCrB)N构成的A层和由(AlCr)N构成的B层而成的多层膜216以及由(AlCrB)N构成的最外层220(第[0022]、[0024]段，图2)。

日本专利第5684829号公报(专利文献3)公开了一种多层包覆***，具有在基材上交替层叠有(AlCrB)N独立层和(TiAl)N独立层的多层结构(第[0014]段)。

日本特开2004-136430号公报(专利文献4)公开了一种层叠(TiB)N被膜和耐氧化性优异的(TiAlN)系硬质被膜或(CrAl)N系硬质被膜并设为多层结构的技术思想(第[0017]段)。

专利文献1：日本专利第4714186号公报

专利文献2：日本特表2018-505310号公报

专利文献3：日本专利第5684829号公报

专利文献4：日本特开2004-136430号公报

使用专利文献1、2中记载的包覆切削工具，例如对碳素钢(工件)进行切削加工时，根据该切削工具的AlCrN系被膜的特性，后刀面磨损被抑制，但是前刀面磨损容易进展。

专利文献3中记载的多层包覆***和专利文献4中记载的包覆工具均缺少本发明所涉及的层叠部(a层和b层的组合)，无法平衡良好地抑制后刀面磨损和前刀面磨损。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种相比以往的形成了(AlCr)N被膜或(TiB)N被膜的包覆切削工具，发挥更优异的耐磨损性的新的高性能的包覆切削工具及其制造方法。

本发明的包覆切削工具，其在基材上具有硬质被膜，其特征在于，作为硬质被膜，从基材侧依次具有基材侧单层部和层叠部，基材侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B，层叠部由氮化物主体的a层和氮化物主体的b层交替层叠而成，该氮化物主体的a层中，以金属(含半金属)元素的比例计Ti最多，且至少含有B；该氮化物主体的b层中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，且至少含有Cr与B，a层和b层在膜厚方向上的层叠周期为5～100nm，由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。

在所述包覆切削工具中，优选地，基材侧单层部的膜厚(t1)为1.0～5μm，层叠部的整体的膜厚(t2)为0.5～2.5μm，基材侧单层部与所述层叠部的整体的膜厚比(t1/t2)为1.0～5。

在所述包覆切削工具中，优选地，在层叠部上具有表面侧单层部，表面侧单层部的膜厚(t3)为0.3～5μm，由基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成，表面侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B。

在所述包覆切削工具中，优选地，所述X射线衍射图案中的(200)面的X射线衍射峰I(200)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(200)/I(111)为0.2～0.37。

在所述包覆切削工具中，优选地，所述X射线衍射图案中的(311)面的X射线衍射峰I(311)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(311)/I(111)为0.03～0.15。

本发明的包覆切削工具的制造方法，其特征在于，通过电弧离子镀法制造所述包覆切削工具，除了不可避免的杂质以外，基材侧单层部和b层的形成用靶由AlCrB合金或AlCrBC合金构成，该AlCrB合金或AlCrBC合金具有由下述通式：Al_αCr_1-α-β-γB_βC_γ(其中，α、1-α-β-γ、β和γ分别表示Al、Cr、B和C的原子比，α、β和γ的数字满足0.4≤α≤0.8、0.04≤β≤0.165、以及0≤γ≤0.035)表示的组成；除了不可避免的杂质以外，所述a层的形成用靶由TiB合金构成，该TiB合金具有由下述通式：Ti_1-δB_δ(其中，1-δ和δ分别表示Ti和B的原子比，δ的数字满足0.1≤δ≤0.5)表示的组成，在作为全压2.7Pa～3.3Pa的氮气气氛中，将基材温度设为400℃～550℃，将在形成基材侧单层部时对基材施加的偏置电压设为-160V～-110V，将在形成层叠部时对基材施加的偏置电压设为-140V～-80V。

在所述包覆切削工具的制造方法中，优选地，具有在层叠部上形成表面侧单层部的工序，将在形成表面侧单层部时对基材施加的偏置电压设为-160V～-100V。

在所述包覆切削工具的制造方法中，优选地，作为表面侧单层部的形成用靶，使用与基材侧单层部相同的AlCrB合金或AlCrBC合金。

在所述包覆切削工具的制造方法中，优选地，当形成层叠部时，对a层的形成用靶和b层的形成用靶同时通上电弧电流。

本发明的包覆切削工具，在基材上具有硬质被膜，作为所述硬质被膜，从基材侧依次具有基材侧单层部和层叠部，基材侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B，层叠部由氮化物主体的a层和氮化物主体的b层交替层叠而成，该氮化物主体的a层中，以金属(含半金属)元素的比例计Ti最多，且至少含有B；该氮化物主体的b层中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，且至少含有Cr与B，a层和b层在膜厚方向上的层叠周期为5～100nm，由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。因此，与现有的形成了(AlCr)N被膜或(TiB)N被膜的包覆切削工具相比，平衡良好地抑制了后刀面磨损和前刀面磨损。通过该作用，本发明的包覆切削工具具有高性能且长寿命。

根据本发明的包覆切削工具的制造方法，能够提供上述本发明的新的高性能的包覆切削工具。

附图说明

图1是示出可以用于本发明的包覆切削工具的硬质被膜的形成的电弧离子镀装置的一例的主视图。

图2是说明本发明的包覆切削工具的剖面组织的一例的示意图。

图3是示出实施例1的包覆切削工具的剖面的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率20000倍)。

图4是示出实施例4的包覆切削工具的剖面的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率20000倍)。

图5是示出实施例6的包覆切削工具的剖面的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率20000倍)。

图6是示出在基材上包覆基材侧单层部及层叠部的实施例1的包覆切削工具的剖面中的硬质被膜的部分的X射线衍射图案的图表。

图7是示出在基材上包覆基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部的实施例4的包覆切削工具的剖面中的硬质被膜的部分的X射线衍射图案的图表。

图8是示出在基材上包覆基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部的实施例6的包覆切削工具的剖面中的硬质被膜的部分的X射线衍射图案的图表。

图9是示出比较例1的包覆切削工具的剖面中的硬质被膜的部分的X射线衍射图案的图表。

图10是放大了实施例1的层叠部的透射型电子显微镜(TEM)的暗视场像(倍率1600000倍)。

图11是示出从图10的层叠部的位置4中的a层的纳米束衍射图案解析的晶体结构的照片。

图12是示出从图10的层叠部的位置5中的b层的纳米束衍射图案解析的晶体结构的照片。

图13是示出构成本发明的包覆切削工具的刀片基材的一例的立体图。

图14是示出安装了刀片的可转位刀片式旋转工具的一例的概略图。

具体实施方式

以下详细说明本发明的实施方式，但本发明不限于此，也可以在不脱离本发明的技术思想的范围内，基于本领域技术人员的通常知识适当地进行变更或改良。另外，除非另有说明，一个实施方式相关的说明也可以直接适用于其他实施方式。

[1]包覆切削工具

关于本实施方式的包覆切削工具，其在基材上具有硬质被膜，作为硬质被膜从基材侧依次具有基材侧单层部和层叠部，基材侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B。层叠部由氮化物主体的a层和氮化物主体的b层交替层叠而成，该氮化物主体的a层中，以金属(含半金属)元素的比例计Ti最多，且至少含有B；该氮化物主体的b层中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，且至少含有Cr和B。a层和b层在膜厚方向上的层叠周期为5～100nm。由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。

图2是示出实施方式的包覆切削工具40的剖面的一例的示意图。包覆切削工具40具有基材31、根据需要设置在基材31的表面上的改性层32、以及依次设置在改性层32上的基材侧单层部33和层叠部34。层叠部34是a层和b层交替地以上述层叠周期堆积的层。

包覆切削工具40至少具有由基材侧单层部33和层叠部34构成的硬质被膜。包覆切削工具40也可以具有由基材侧单层部33、层叠部34和表面侧单层部35构成的硬质被膜。优选地，所述硬质被膜的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。

(A)基材

基材需要是耐热性强、可适用物理气相沉积法的材质。作为基材的材质，例如可以举出硬质合金、金属陶瓷、高速钢、工具钢或立方氮化硼(cBN)等陶瓷。从强度、硬度、耐磨损性、韧性及热稳定性等的观点来看，基材的材质优选为硬质合金基材或陶瓷基材。硬质合金由碳化钨粒子和Co或以Co为主体的合金的结合相构成。关于结合相的含量，相对于碳化钨和结合相的各含量的合计(100质量％)优选为1～13.5质量％，更优选为3～13质量％。硬质合金中的结合相的含量小于1质量％时，韧性不充分，超过13.5质量％时，硬度(耐磨损性)不充分。在烧结后的基材的未加工面、研磨加工面及刀尖处理加工面的任一个中均能够形成本实施方式的硬质被膜。

(B)硬质合金基材的改性层

在基材是硬质合金的情况下，优选地，对基材表面照射从TiB合金的靶产生的离子(下文也称为“离子轰击”)，形成具有平均厚度1～10nm的fcc结构的改性层。硬质合金的主要成分碳化钨具有hcp结构，而改性层则由与基材侧单层部相同的fcc结构构成。硬质合金的基材与改性层在它们的边界(界面)处的晶体格纹优选30％以上，进一步优选50％以上，特别优选70％以上的部分连续。通过该结构，硬质合金的基材与基材侧单层部通过改性层牢固地密合在一起。

在具有改性层的包覆切削工具中，具有fcc结构的改性层被形成为高密度的薄层状，因此难以成为破坏的起点。改性层的平均厚度小于1nm时，无法得到硬质被膜对基材的密合力的提高效果，超过10nm时，密合力反而会恶化。改性层的平均厚度进一步优选为2～9nm。

(C)硬质被膜

(1)组成

(a)基材侧单层部和表面侧单层部

本实施方式的基材侧单层部和表面侧单层部均由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，且至少含有B。通过所述的Al与Cr的合计的含有比率(原子比)为0.9以上，从而该被膜的耐磨损性提高。为了提高该被膜的耐磨损性，所述的Al与Cr的合计的含有比率(原子比)优选为0.90～0.99，Al的含有比率(原子比)优选为0.5以上，B的含有比率(原子比)优选为0.01以上。如果所述的Al与Cr的合计的含有比率(原子比)、Al的含有比率(原子比)以及B的含有比率(原子比)不在所述特定范围内，则耐磨损性降低。另外，所谓“氮化物主体”，意味着N的含有比率(原子比)相对于非金属元素的含有比率(原子比)的合计1为0.5以上，N的含有比率(原子比)优选为0.6以上。

在基材侧单层部和表面侧单层部为(AlCrB)N被膜、(AlCrB)NO被膜或(AlCrB)NCO被膜的情况下，优选地，该被膜的组成除了不可避免的杂质以外，由下述通式：(Al_xCr_1-x- _yB_y)N_1-e-fC_eO_f(其中x、1-x-y、y、1-e-f、e和f分别表示Al、Cr、B、N、C和O的原子比，x、y、e和f的数字满足0.5≤x≤0.75、0.01≤y≤0.1、0≤e≤0.03、以及0≤f≤0.010)表示。金属(含半金属元素)元素、N和O的含量可以并用后述的EPMA和TEM-EDS(以下也称为“EDS”)来分析。C的含量可以通过后述的EPMA来分析。

Al的原子比x的范围优选为0.5～0.75。x小于0.5时，由于Al的含量过少而使该被膜的耐氧化性受损。另一方面，x超过0.75时，在该被膜中形成软质的hcp结构的结晶相而使耐磨损性受损。x进一步优选为0.50～0.74。

Cr的原子比1-x-y的范围优选为0.49～0.15。1-x-y小于0.15时，由于Al的含量过多，因此在该被膜中形成软质的hcp结构的结晶相而使耐磨损性受损。另一方面，1-x-y超过0.49时，由于该被膜中的Al的含量变得过少而使耐氧化性受损。1-x-y进一步优选为0.49～0.18。

B的原子比y的范围优选为0.01～0.1。y小于0.01时，无法得到添加效果而使该被膜的润滑性受损。另一方面，y超过0.1时，该被膜脆化。y进一步优选为0.01～0.08。

本实施方式的(AlCrB)N被膜、(AlCrB)NO被膜和(AlCrB)NCO被膜中包含的N的原子比1-e-f优选为1～0.96。如果1-e-f不在所述特定范围内，则该被膜的耐磨损性容易降低。1-e-f进一步优选为0.998～0.96。

本实施方式的(AlCrB)N被膜、(AlCrB)NO被膜和(AlCrB)NCO被膜中包含的O的原子比f均优选为0.010以下。如果f超过0.010，则氧含量变得过多，该被膜的耐磨损性容易降低。f进一步优选为0.002～0.010。

本实施方式的(AlCrB)NCO被膜中包含的C的原子比e优选为0.03以下。如果e超过0.03，则该被膜的耐磨损性降低。为了提高该被膜的耐磨损性，e进一步优选为0.01～0.03。在上述(AlCrB)N被膜和(AlCrB)NO被膜的情况下，允许存在e小于0.01的不可避免的杂质级别(例如。0.001～0.009左右)。

(b)层叠部

本实施方式的层叠部交替层叠以金属(含半金属)元素的比例计Ti最多，且至少含有B的氮化物主体的a层和以金属(含半金属)元素的比例计Al最多，且至少含有Cr和B的氮化物主体的b层而成。在a层中，Ti的含有比率(原子比)优选为0.65以上，B的含有比率(原子比)优选为0.01以上。在b层中，Al的含有比率(原子比)优选为0.42以上，Cr的含有比率(原子比)优选为0.1以上，B的含有比率(原子比)优选为0.01以上。如果a层和b层中的各元素的含有比率(原子比)不在所述特定范围内，则该被膜的耐磨损性容易降低。另外，所谓“氮化物主体”，意味着N的含有比率(原子比)相对于非金属元素的含有比率(原子比)的合计1为0.5以上，N的含有比率(原子比)优选为0.6以上。

a层的金属(含半金属)元素的组成，优选地，除了不可避免的杂质，由下述通式：(Ti_1-p-q-rB_pAl_qCr_r)(其中，1-p-q-r、p、q和r分别表示Ti、B、Al和Cr的原子比，p、q和r的数字满足0.01≤p≤0.05、0.02≤q≤0.2、以及0.01≤r≤0.1)表示。

Ti的原子比1-p-q-r优选为0.96～0.65。如果1-p-q-r不在所述特定范围内，则该被膜的耐前刀面磨损性降低。1-p-q-r进一步优选为0.96～0.8。

B的原子比p优选为0.01～0.05。如果p不在所述特定范围内，则该被膜的耐前刀面磨损性降低。p进一步优选为0.01～0.03。

Al的原子比q优选为0.02～0.2。如果q不在所述特定范围内，则该被膜的耐前刀面磨损性降低。q进一步优选为0.02～0.12。

Cr的原子比r优选为0.01～0.1。如果r不在所述特定范围内，则该被膜的耐前刀面磨损性降低。r进一步优选为0.01～0.05。

b层的金属(含半金属)元素的组成，优选地，除了不可避免的杂质，由下述通式：(Al_1-s-t-uCr_sB_tTi_u)(其中，1-s-t-u、s、t和u分别表示Al、Cr、B和Ti的原子比，s、t和u的数字满足0.1≤s≤0.4、0.01≤t≤0.08、以及0.03≤u≤0.1)表示。

Al的原子比1-s-t-u优选为0.86～0.42。如果1-s-t-u不在所述特定范围内，则该被膜的耐后刀面磨损性降低。1-p-q-r进一步优选为0.84～0.44。

Cr的原子比s优选为0.1～0.4。如果s不在所述特定范围内，则该被膜的耐后刀面磨损性降低。s进一步优选为0.12～0.40。

B的原子比t优选为0.01～0.08。如果t不在所述特定范围内，则该被膜的耐后刀面磨损性降低。t进一步优选为0.01～0.07。

Ti的原子比u优选为0.03～0.1。如果u不在所述特定范围内，则该被膜的耐后刀面磨损性降低。u进一步优选为0.03～0.09。

a层和b层均为氮化物主体的硬质被膜。对a层和b层的非金属元素(N、C、O)进行了EDS分析，结果是通过定性分析确认了含有C，但是C含量的测定结果不稳定，无法进行C的准确的定量分析。但是，可知关于a层和b层的N、C和O的各含有比率(原子比)是以N为主体。即，在a层和b层中，相对于N、C和O的各含有比率(原子比)的合计1，N的含有比率(原子比)为0.5以上，在优选的例子中N的含有比率(原子比)为0.6以上。因此，在后述的表5、表6中，a层和b层的组成均仅由金属(含半金属)元素的组成表示。

(c)硬质被膜中的添加B的效果

在基材侧单层部、层叠部的a层和b层以及表面侧单层部中，通过设为所述特定范围的B含量，从而各膜的晶粒的晶格畸变增加。通过该作用，在添加了B的硬质被膜中，被膜硬度、耐磨损性及工具寿命均得到提高。

(d)硬质被膜中的添加C的效果

在基材侧单层部、层叠部的a层和b层以及表面侧单层部中，在设为所述特定范围的B含量的前提下，通过设为所述特定范围的C含量，从而各膜的晶粒的晶格畸变进一步增加。通过该作用，在添加了C的硬质被膜中，被膜硬度、耐磨损性及工具寿命均进一步提高。

(2)膜厚

本实施方式的基材侧单层部的膜厚(t1)大于层叠部的整体的膜厚(t2)。进而，t1优选为1.0～5μm。t1小于1.0μm时，后刀面磨损容易推进，超过5μm时，基材侧单层部的密合力显著降低。t1进一步优选为1.2～5.0μm。

层叠部的整体的膜厚(t2)优选为0.5～2.5μm。t2小于0.5μm时，前刀面磨损容易推进，超过2.5μm时，层叠部的密合力降低。t2进一步优选为0.8～2.2μm。

本实施方式的表面侧单层部的膜厚(t3)优选为0.3～5μm。t3小于0.3μm时，无法得到后刀面磨损的抑制效果，超过5μm时，表面侧单层部35与层叠部34的密合力显著降低。t3进一步优选为0.5～4.5μm。

本实施方式的基材侧单层部与层叠部的整体的膜厚比(t1/t2)优选为1.0～5。本实施方式的表面侧单层部与层叠部的整体的膜厚比(t3/t2)优选为0.3～4。本实施方式的基材侧单层部和表面侧单层部的各膜厚的合计与层叠部的整体的膜厚之比(t1+t3)/t2优选为1.0～10。如果各膜厚比t1/t2、t3/t2及(t1+t3)/t2分别不在上述特定范围内，则难以兼顾优异的耐后刀面磨损性及耐前刀面磨损性。t1/t2进一步优选为1.2～5。t3/t2进一步优选为0.5～3。(t1+t3)/t2进一步优选为1.2～8。

虽然没有特别限定，但是构成本实施方式的层叠部的a层的膜厚(ta)以及b层的膜厚(tb)均优选为3～30nm。如果ta和tb不在上述特定范围内，则难以兼顾优异的耐后刀面磨损性及耐前刀面磨损性。ta和tb均进一步优选为4～28nm。

表面侧单层部与基材侧单层部的膜厚比(t3/t1)优选为0.1～1.5。如果t3/t1不在上述特定范围内，则难以兼顾优异的耐后刀面磨损性及耐前刀面磨损性。t3/t1进一步优选为0.2～1.2。

非平坦的基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部的“膜厚”是指“算术平均厚度”。

(3)层叠部的层叠周期

如图2所示，本实施方式的层叠部的a层和b层的层叠周期T是从任意的a层1层的下端到相邻的正上方的b层1层的上端为止的膜厚方向的距离(厚度)。T为5～100nm。在T小于5nm及超过100nm的情况下，均会使该被膜的耐磨损性降低。T优选为10～90nm，进一步优选为20～80nm。

此外，在层叠部中，由于a层与b层的相互扩散，有时a层与b层的边界变得模糊。在这种情况下，也可以将层叠周期T作为在层叠部中相邻的3层(例如依次层叠的a层、b层和a层)中夹着b层配置的两个a层的层叠方向上的距离测量。两个a层之间的距离是在每个a层的厚度方向上连结中点彼此之间的距离。

(4)晶体结构

由本实施方式的基材侧单层部和层叠部构成的硬质被膜的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。进而，由本实施方式的基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的硬质被膜的部分的X射线衍射图案优选为由fcc的单一结构构成。即，通过本实施方式的所述硬质被膜的部分为fcc的结晶相，从而有助于作为包覆切削工具的高性能化、长寿命化。此外，如果是X射线衍射图案中未出现的范围，则在硬质被膜内也可以存在fcc以外的微小相。只有层叠部的晶体结构可以通过能够检测微小相的电子衍射(TEM)来分析。从高性能化、长寿命化的方面来看，在所述电子衍射中，层叠部优选以fcc为主要结构，进一步优选由fcc的单一结构构成。

在上述X射线衍射图案中，(200)面的X射线衍射峰I(200)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(200)/I(111)优选为0.2～0.37。如果比值I(200)/I(111)不在上述特定范围内，则难以平衡良好地抑制后刀面磨损及前刀面磨损。比I(200)/I(111)进一步优选为0.25～0.36。

在上述X射线衍射图案中，(311)面的X射线衍射峰I(311)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(311)/I(111)优选为0.03～0.15。如果比值I(311)/I(111)不在上述特定范围内，则难以平衡良好地抑制后刀面磨损及前刀面磨损。比值I(311)/I(111)进一步优选为0.06～0.12。

(D)机制

本发明人深入研究了高性能且长寿命的纳米层叠被膜，结果发现通过(i)在基材上形成了上述特定组成的基材侧单层部、(ii)在基材侧单层部上交替层叠上述特定组成的a层和b层，并且将两层的膜厚方向的层叠周期T设为5～100nm、以及(iii)由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成，与以往相比，能够平衡良好地且显著地抑制后刀面磨损及前刀面磨损。即，虽然不能充分阐明，但可知基材侧单层部和b层主要抑制后刀面磨损，a层主要抑制前刀面磨损(月牙洼磨损)。进而，可知当形成表面侧单层部时，后刀面磨损的抑制效果进一步提高。

另外，如上所述，在比值I(200)/I(111)为0.2～0.37的情况下，能够平衡良好地抑制后刀面磨损及前刀面磨损。在构成基材侧单层部和层叠部、进而表面侧单层部的各被膜的多晶粒中，相对地抑制(200)面取向，(111)面取向增加，由此认为本实施方式的包覆切削工具具有高性能且长寿命。

另外，在比值I(200)/I(111)为00.2～0.37的前提下，比值I(300)/I(111)为0.03～0.15的情况下，可知能够平衡良好地进一步抑制后刀面磨损及前刀面磨损。在构成基材侧单层部和层叠部、进而表面侧单层部的各被膜的多晶粒中，相对地抑制(311)面取向，(111)面取向增加，由此认为本实施方式的包覆切削工具具有高性能且长寿命。

[2]成膜装置

在本实施方式的硬质被膜的形成中能够使用电弧离子镀(下文也称为“AI”)装置。AI装置例如如图1所示，具备：减压容器25；经由绝缘物14安装在减压容器25上的电弧放电式蒸发源13、27；安装在各电弧放电式蒸发源13、27上的靶10、18；与各电弧放电式蒸发源13、27连接的电弧放电用电源11、12；经由轴承部24贯穿至减压容器25的内部的旋转自如的支柱6；为了保持基材7而支撑在支柱6上的装夹具8；使支柱6旋转的驱动部1；以及对基材7施加偏置电压的偏置电源3。在减压容器25中设置有气体导入部2和排气口17。电弧点火机构16、16经由电弧点火机构轴承部15、15安装在减压容器25上。为了使减压容器25内导入的气体(氩气、氮气等)的离子化，灯丝型的电极20经由绝缘物19、19安装在减压容器25上。在靶10与基材7之间，经由遮蔽板轴承部21在减压容器25上设置有遮蔽板23。遮蔽板23例如通过遮蔽板驱动部22在上下方向或左右方向上移动，在遮蔽板23不存在于靶10与基材7之间的状态之后，进行本实施方式的硬质被膜的形成。

(A)基材侧单层部和表面侧单层部的形成用靶

(1)AlCrB合金和AlCrBC合金的组成

作为本实施方式的基材侧单层部、b层和表面侧单层部(下文也称为“基材侧单层部等”)的形成用的靶而使用的AlCrB合金或AlCrBC合金，例如使用规定组成的Al粉末或AlC粉末和CrB合金粉末，在下述的AlCrB合金或AlCrBC合金的组成中进行配合及混合，将得到的混合粉末进行成型，将得到的成型体进行烧结而得到。通过上述工序制作的AlCrB烧结体合金或AlCrBC烧结体合金的含氧量能够通过例如在非氧化性气氛(例如氩气气氛或真空度1×10^-3Pa～10×10^-3Pa的气氛)下进行Al粉末或AlC粉末及CrB合金粉末的粒径、以及从配合工序到烧结工序来适当调整。

优选地，除了不可避免的杂质以外，AlCrB合金或AlCrBC合金具有由下述通式：Al_αCr_1-α-β-γB_βC_γ(其中，α、1-α-β-γ、β和γ分别表示Al、Cr、B和C的原子比，α、β和γ的数字满足0.4≤α≤0.8、0.04≤β≤0.165、及0≤γ≤0.035)表示的组成。通过将α、β和γ分别设在上述特定范围内，从而能够成膜本实施方式的基材侧单层部等。

Al的原子比α的范围优选为0.4～0.8。α小于0.4时，由于基材侧单层部等的Al含量过少而使基材侧单层部等的耐氧化性受损。另一方面，α超过0.8时，在基材侧单层部等形成软质的hcp结构的结晶相而使耐磨损性受损。α的范围进一步优选为0.45～0.78。

Cr的原子比1-α-β-γ的范围优选为0.56以下。1-α-β-γ超过0.56时，基材侧单层部等的Al含量变得过少而使耐氧化性受损。1-α-β-γ的范围进一步优选为0.485～0.025。

B的原子比β的范围优选为0.04～0.165。β小于0.04时，无法得到B的添加效果。另一方面，β超过0.165时，基材侧单层部等在X射线衍射图案中无法保持fcc的单一结构。β的范围进一步优选为0.05～0.16。

C的原子比γ优选为0.035以下。γ超过0.035时，包覆切削工具的寿命变短。γ的范围进一步优选为0.015～0.035。

(2)AlCrB合金或AlCrBC合金的氧含量

AlCrB合金或AlCrBC合金的氧含量优选为2000～4000μg/g。在氧含量小于2000μg/g和超过4000μg/g的情况下，基材侧单层部等的O的原子比f小于0.002或超过0.010。AlCrB合金或AlCrBC合金的氧含量进一步优选为2050～3900μg/g，特别优选为2100～3800μg/g。

(B)TiB合金靶

用于形成本实施方式的改性层和a层的TiB合金靶，优选地，除了不可避免的杂质以外，具有由下述通式：Ti_1-δB_δ(其中，1-δ和δ分别表示Ti和B的原子比，满足0.1≤δ≤0.5。)表示的组成。δ小于0.1时，形成脱碳层而无法得到fcc结构的改性层。δ超过0.5时，无法得到fcc结构的改性层。δ进一步优选为0.10～0.3。

(C)电弧放电式蒸发源和电弧放电用电源

如图1所示，电弧放电式蒸发源13、27分别具有由改性层或a层形成用的TiB合金构成的靶10、以及由基材侧单层部等形成用的AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶18。例如，对靶10或靶18通上直流电流或脉冲电流作为电弧电流。虽然未图示，但是优选在电弧放电式蒸发源13、27中设置磁场产生单元(由电磁铁和/或永久磁铁和磁轭构成的结构体)，在基材7的附近形成数十高斯(例如10～50G)的磁场分布。

在本实施方式的硬质被膜的成膜时产生的液滴是硬质被膜的破坏的起点。因此，优选对由AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶18和由TiB合金构成的靶10通上150～250A的直流电弧电流，以抑制液滴的过剩产生。

(D)偏置电源

如图1所示，从偏置电源3对基材7施加偏置电压。

[3]成膜条件

以下对本实施方式的离子轰击的条件以及硬质被膜的成膜条件按每个工序进行详细说明，但不特别限定。

(A)基材的清洁工序

在图1所示的AI装置的装夹具8上设置基材7后，将减压容器25内保持在1～5×10^- ²Pa(例如，1.5×10^-2Pa)，通过加热器(未图示)将基材7加热到250～650℃的温度。虽然在图1中用圆柱体示出，但是基材7可以取整体式的立铣刀或刀片等各种形状。基材7例如由WC基硬质合金构成。将基材7加热升温后，将氩气导入减压容器25内，形成0.5Pa～10Pa(例如2Pa)的氩气气氛。在这种状态下，通过偏置电源3对基材7施加-250～-150V的直流偏置电压或脉冲偏置电压，通过氩离子对基材7的表面进行轰击并清洁。

当基材温度小于250℃时，没有氩离子的蚀刻效果，另外当超过650℃时，在成膜工序中难以将基材温度设定为预定条件。基材温度通过嵌入基材中的热电偶进行测量(下文的工序中也同样)。如果减压容器25内的氩气的压力在0.5Pa～10Pa的范围外，则由氩离子进行的轰击处理变得不稳定。当直流偏置电压或脉冲偏置电压小于-250V时，在基材上引起电弧的发生，当超过-150V时不能充分得到基于轰击的蚀刻的清洁效果。

(B)改性层形成工序

对基材7的改性层的形成通过对使用了TiB合金的靶10的基材7的离子轰击进行。在基材7的清洁后，在减压容器25内形成流量为30sccm～150sccm的氩气气氛。从电弧放电用电源11对电弧放电式蒸发源13上安装的TiB合金的靶10的表面通上50～100A的电弧电流(直流电流)。将基材7加热到450℃～750℃的温度，并且从偏置电源3对基材7施加-1000V～-600V的直流偏置电压。通过使用了TiB合金的靶10的离子轰击，对基材7照射Ti离子和B离子。

基材7的温度在450～750℃的范围外时，不形成fcc结构的改性层，或者在基材7的表面上形成脱碳层，与基材侧单层部的密合力显著降低。如果减压容器25内的氩气的流量小于30sccm，则入射至基材7的Ti离子等的能量过强，在基材7的表面形成脱碳层，损害基材与基材侧单层部的密合性。另一方面，如果氩气的流量超过150sccm，则Ti离子等的能量减弱，不形成改性层。

电弧电流小于50A时电弧放电变得不稳定，超过100A时，在基材7的表面上形成多个液滴，损害基材与基材侧单层部的密合性。直流偏置电压小于-100V时，Ti离子等的能量过强并在基材7的表面形成脱碳层，超过600V时，在基材表面不形成改性层。

(C)硬质被膜的成膜工序

(1)基材侧单层部的成膜

在基材7上或当形成改性层的情况下在改性层上，形成本实施方式的基材侧单层部。此时，使用氮气，从电弧放电用电源12对安装在电弧放电式蒸发源27上的由AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶18的表面通上电弧电流。同时，从偏置电源3对控制到下述温度的基材7施加直流偏置电压或单极脉冲偏置电压。

(a)基材温度

将本实施方式的基材侧单层部的成膜时的基材温度设为400℃～550℃。基材温度小于400℃时，由于基材侧单层部不充分结晶，因此基材侧单层部不具有充分的润滑性及耐磨损性。另外，由于残余应力的增加而成为被膜剥离的原因。另一方面，基材温度超过550℃时，会过度促进基材侧单层部的晶粒的微细化而使润滑性及耐磨损性受损。基材温度优选为480℃～540℃。

(b)氮气的压力

作为本实施方式的基材侧单层部的成膜气体使用氮气。氮气的压力(全压)设为2.7Pa～3.3Pa。氮气的压力小于2.7Pa时，基材侧单层部的氮化变得不充分，因存在未氮化的异相，不仅会导致包覆切削工具的短寿命化，而且基材侧单层部的氧含量变得过多。另一方面，氮气的压力超过3.3Pa时，基材侧单层部的氧含量变得过少而导致软化。氮气的压力优选设为2.8Pa～3.2Pa，进一步优选设为2.9Pa～3.1Pa。

(c)氮气的流量

氮气的流量优选设为750sccm～900sccm。氮气的流量小于750sccm及超过900sccm时，均难以将上述氮气的压力(全压)调整为2.7～3.3Pa。氮气的流量进一步优选设为770sccm～880sccm。

(d)对基材施加的偏置电压

为了形成本实施方式的基材侧单层部，优选对基材施加直流或单极脉冲的偏置电压。偏置电压优选设为-160～-100V。偏置电压小于-160V时，B含量显著降低。另一方面，偏置电压超过-100V时，包覆切削工具的寿命变短。偏置电压进一步优选设为-150V～-110V。

在单极脉冲偏置电压的情况下，偏置电压表示除去从零到负侧的上升的陡峭部分的负的峰值。单极脉冲偏置电压的频率优选为20kHz～50kHz，进一步优选为30kHz～40kHz。

(e)电弧电流

为了抑制基材侧单层部的成膜时的液滴，通电到靶18的电弧电流(直流电流)优选设为150A～250A。电弧电流小于150A时，电弧放电变得不稳定，超过250A时，液滴显著增加，基材侧单层部的耐磨损性恶化。电弧电流进一步优选设为160A～240A。

(2)层叠部的成膜

在基材侧单层部上形成本实施方式的层叠部。层叠部也可以设为最外层。具体而言，在继续基材侧单层部的成膜的同时，通过对靶18(AlCrB合金或AlCrBC合金)以及靶10(TiB合金)通上电弧电流，从而形成a层与b层交替堆积的本实施方式的层叠部。层叠部特有的成膜条件仅为以下的(i)、(ii)，其他与基材侧单层部的成膜条件相同。

(i)对基材施加的偏置电压优选设为-140～-80V。通过将层叠部的成膜时对基材施加的偏置电压相对于基材侧单层部的偏置电压向正电压侧位移(该位移优选为5～30V)，从而层叠部的b层的组成与基材侧单层部和表面侧单层部的组成相比较，Al变得较多。通过该结构，能够得到高性能且长寿命的包覆切削工具。偏置电压小于-140V时，B含量大幅下降，超过-80V时，包覆切削工具的寿命变短。偏置电压的进一步优选的范围为-130V～-90V。

(ii)在层叠部的成膜时，实用的是对靶18及靶10同时通上电弧电流。

(3)表面侧单层部的成膜

在层叠部上，根据需要形成本实施方式的表面侧单层部。例如，优选地，调整成膜时间，将表面侧单层部与基材侧单层部的膜厚比t3/t1设定为0.1～1.5。除此之外，与上述基材侧单层部的成膜条件相同。

(4)层叠部或表面侧单层部的上层

层叠部或表面侧单层部可以是最外层，但是也可以根据需要在层叠部或表面侧单层部上至少设置一层公知的硬质被膜。作为公知的硬质被膜，例如示例选自(TiAl)N、(TiAlCr)N、(TiAlNb)N、(TiAlW)N、(TiSi)N、(TiB)N、TiCN、Al₂O₃、Cr₂O₃、(AlCr)N和(AlCrSi)N的至少一层的硬质被膜。

实施例

根据以下实施例更详细地说明本发明，但是本发明当然不限于此。在以下的实施例和比较例中，除非另有说明，靶的金属元素和半金属元素的组成是基于荧光X射线法的测量值，氧含量是基于载气法(carrier gas hot extraction method)的测量值。另外，在实施例中作为硬质被膜的基材使用了刀片，但是本发明当然不限于此，也可以适用于刀片以外的切削工具(立铣刀、钻头等)。

实施例1

(1)基材的清洁

将具有含有8.0质量％的Co且剩余部分由WC和不可避免的杂质构成的组成的WC基硬质合金制的精加工铣削刀片基材(图13所示的Mitsubishi Hitachi Tools Co.,Ltd.制造的ZDFG300-SC)和物性测量用刀片基材(Mitsubishi Hitachi Tools Co.,Ltd.制造的SNMN120408)设置在图1所示的AI装置的装夹具8上，与真空排气同时用加热器(未图示)加热至550℃。之后，以500sccm(sccm为1atm及25℃条件下的cc/分，下文同样)的流量导入氩气，将减压容器25内的压力调整为2.0Pa，并且对所述各基材(下文也称为“基材7”)施加-200V的直流偏置电压并通过利用氩离子的轰击的蚀刻来进行基材7的清洁。

(2)使用了TiB合金靶的改性层的形成

在将基材温度保持在550℃的状态下，将氩气的流量设为70sccm，将组成由Ti_0.85B_0.15(原子比)表示的TiB合金的靶10配置在连接有电弧放电用电源11的电弧放电式蒸发源13上。通过偏置电源3对基材7施加-800V的直流电压，并且从电弧放电用电源11在靶10的表面上流过75A的电弧电流(直流电流)，在基材7的表面上形成平均厚度5nm的改性层。通过专利第5967329号所述的方法进行改性层的平均厚度的测量。

(3)基材侧单层部的形成

将由Al_0.55Cr_0.35B_0.10(原子比)的金属元素和半金属元素的组成、及氧含量为2300μg/g的AlCrB烧结体合金构成的靶18配置在连接有图1的电弧放电用电源12的电弧放电式蒸发源27上。在将基材7的温度设定为450℃，并且将设为氮气气氛的减压容器25内的氮气的全压设为3.0Pa，以及将氮气的流量调整为800sccm。

通过偏置电源3对基材7施加-140V的直流电压，并且从电弧放电用电源12在靶18上流过200A的直流电弧电流，在基材7上作为基材侧单层部，形成具有(Al_0.60Cr_0.38B_0.02)N_0.994O_0.006(原子比)的组成的膜厚(t1)2.0μm的基材侧单层部。

(4)层叠部的形成

除了通过偏置电源3对基材7施加-120V的直流电压以外，在维持上述基材侧单层部的成膜条件的同时，从电弧放电用电源11在组成由Ti_0.85B_0.15(原子比)表示的TiB合金的靶10上流过200A的直流电弧电流，在基材侧单层部上交替堆积各50层的a层和b层，形成整体的膜厚(t2)为1.0μm的层叠部。这样制作了本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)。

(5)硬质被膜的剖面组织的观察

图3是示出上述包覆切削工具的剖面组织的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率：20000倍)。在图3中，31是WC基硬质合金基材，33是基材侧单层部，34是层叠部。由于图3为低倍率，因此看不到构成改性层32、层叠部34的a层和b层。

(6)硬质被膜的各膜厚、层叠部的层叠周期

在图3的基材侧单层部33和层叠部34中分别测量左端和右端的膜厚，将测量值进行算术平均，得到基材侧单层部33的膜厚(t1)和层叠部34的整体的膜厚(t2)。另外，从图3的层叠部34制作透射型电子显微镜(TEM、JEOL Ltd.制造JEM-2000)的观察用样品，图10示出通过该TEM拍摄所述样品的层叠部的暗视场像(倍率为1600000倍)。在从图10中的层叠部的上侧向下侧交替层叠的a层和b层的中央位置上测量层叠周期T，对测量值进行算术平均得到T。T为20nm。

(7)硬质被膜的组成

通过电子探针微分析装置EPMA(JEOL Ltd.制造JXA-8500F)，以加速电压10kV、照射电流0.05A和光束直径0.5μm的条件测量上述包覆切削工具的剖面中的基材侧单层部的厚度方向的中心位置，分析基材侧单层部的组成。进而，在上述基材侧单层部的厚度方向的中心位置上，通过使用了TEM(JEM-2100)上搭载的能量分散型X射线分光器(EDS、NORAN公司制造UTW型Si(Li)半导体检测器、光束直径：约1μm)的EDS分析进行基材侧单层部的N元素和O元素的定量分析。EPMA和EDS分析的测量条件在其他例子中也是同样。

(8)硬质被膜的X射线衍射图案

为了观察由上述包覆切削工具的剖面中的基材侧单层部和层叠部构成的硬质被膜的部分的晶体结构，使用X射线衍射装置(Panalytical公司制造的EMPYREAN)，在该硬质被膜的表面以如下的条件照射CuKα1线(波长λ：0.15405nm)而得到X射线衍射图案(图6)。

管电压：45kV

管电流：40mA

入射角ω：固定为3°

2θ：20°～90°

在图6中，(111)面、(200)面、(220)面和(311)面都是fcc结构的X射线衍射峰。因此，可知上述硬质被膜的部分是fcc的单一结构。此外，在图6中，未进行指数标注的X射线衍射峰是WC基硬质合金基材的X射线衍射峰。

(9)层叠部的组成、晶体结构

将图10的TEM的暗视场像中的白色部的位置4和黑色部的位置5分别通过附属于TEM(JEM-2100)的UTW型Si(Li)半导体检测器进行EDS分析。其结果为白色部分的位置4(a层)的金属(含半金属)组成为(Ti_0.90B_0.01Al_0.08Cr_0.01)。另外，黑色部分的位置5(b层)的金属(含半金属)组成为(Al_0.57Cr_0.33B_0.02Ti_0.08)。

在图10的位置4和5中，通过TEM(JEM-2100)、在200kV的加速电压和50cm的照相机长度的条件下进行了纳米束衍射。图11示出位置4得到的衍射像。图12示出位置5得到的衍射像。在图11和图12中，均观察到fcc结构的(002)面、(111)面和(11-1)面的衍射图案。从该结果可知，本实施例的层叠部的电子衍射图案也是fcc的单一结构。

(10)工具寿命的测定

如图13和图14所示，将上述包覆切削工具(以下也称为“刀片40A”)通过固定螺钉47安装到可转位刀片式旋转工具(Mitsubishi Hitachi Tools Co.,Ltd.制造ABPF30S32L150)50的工具主体46的前端部48上。可转位刀片式旋转工具50的刃径为30mm。使用可转位刀片式旋转工具50，在下述的转削条件下进行切削加工，用光学显微镜(倍率：100倍)观察每单位时间采样的刀片40A的前刀面45a和后刀面45b，将前刀面45a或后刀面45b的任意一个磨损宽度或崩刀宽度达到0.2mm以上时的加工时间判定为工具寿命。

切削加工条件

表1示出所使用的AlCrB合金的靶和TiB合金的靶的组成。表2示出基材侧单层部的成膜条件。表3示出在层叠部的成膜时施加的DC偏置电压。表4示出基材侧单层部的组成。表5示出a层的金属(含半金属)组成，表6示出b层的金属(含半金属)组成。表8示出基材侧单层部和层叠部的整体的各膜厚t1和t2、基材侧单层部与层叠部的整体的膜厚比t1/t2、以及层叠部的层叠周期T。表9示出由基材侧单层部和层叠部构成的硬质被膜的部分的X射线衍射的结果、a层和b层的电子衍射的结果、以及工具寿命。

实施例2

通过调整基材侧单层部和层叠部的各成膜时间，从而将膜厚t1设为1.0μm，将膜厚t2设为0.8μm，使膜厚比t1/t2变化为1.25，以及使层叠周期T变化为16nm。除前述以外，与实施例1同样地制作本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

实施例3

通过调整基材侧单层部的成膜时间，从而将膜厚t1设为5.0μm，使膜厚比t1/t2变化为5。除前述以外，与实施例1同样地制作本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

实施例4

除了调整基材侧单层部的成膜时间并将膜厚t1设为1.2μm以外，与实施例1同样，在形成了改性层的基材上依次形成了基材侧单层部和层叠部。接着，在层叠部上，除了调整成膜时间以外，通过与基材侧单层部相同的成膜条件，作为表面侧单层部，形成了具有(Al_0.60Cr_0.38B_0.02)N_0.994O_0.006(原子比)的组成，并将膜厚(t3)设为1.2μm的硬质被膜。这样，制作使膜厚比t1/t2变化为1.2，使膜厚比t3/t2变化为1.2，使膜厚比(t1+t3)/t2变化为2.4，以及使膜厚比t3/t1变化为1的本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

实施例5

除了调整了基材侧单层部的成膜时间以外，与实施例1同样，在形成了改性层的基材上依次形成了膜厚t1为4.0μm的基材侧单层部和膜厚t2为1.0μm的层叠部。接着，在层叠部上，除了调整成膜时间以外，通过与基材侧单层部相同的成膜条件，作为表面侧单层部，形成了具有(Al_0.60Cr_0.38B_0.02)N_0.994O_0.006(原子比)的组成，将膜厚(t3)设为3.0μm的硬质被膜。这样，制作使膜厚比t1/t2变化为4，使膜厚比t3/t2变化为3，使膜厚比(t1+t3)/t2变化为7，以及使膜厚比t3/t1变化为0.75的本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，测量了工具寿命等。

实施例6

与实施例1同样，在形成了改性层的基材上依次形成了基材侧单层部和层叠部。接着，在层叠部上，除了调整成膜时间以外，通过与基材侧单层部相同的成膜条件，作为表面侧单层部，形成了具有(Al_0.60Cr_0.38B_0.02)N_0.995O_0.005(原子比)的组成，将膜厚(t3)设为0.5μm的硬质被膜。这样，制作将膜厚比t1/t2设为2，将膜厚比t3/t2设为0.5，将膜厚比(t1+t3)/t2设为2.5，以及使膜厚比t3/t1变化为0.25的本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

图4是示出实施例4的包覆切削工具的剖面组织的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率：20000倍)。在图4中，31是WC基硬质合金基材，33是基材侧单层部，34是层叠部，35是表面侧单层部。由于图4是低倍率，因此看不到构成改性层32、层叠部34的a层和b层。图7示出实施例4的由基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的硬质被膜的部分的X射线衍射图案。由图7可知实施例4的硬质被膜的部分由fcc的单一结构构成。

图5是示出实施例6的包覆切削工具的剖面组织的扫描型电子显微镜(SEM)照片(倍率：20000倍)。在图5中，31是WC基硬质合金基材，33是基材侧单层部，34是层叠部，35是表面侧单层部。由于图5是低倍率，因此看不到构成改性层32、层叠部34的a层和b层。图8示出实施例6的由基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的硬质被膜的部分的X射线衍射图案。由图8可知实施例6的硬质被膜的部分由fcc的单一结构构成。

关于实施例2～6，表1示出各例的AlCrB合金靶和TiB合金靶的组成。表2示出各例的基材侧单层部的成膜条件。表3示出各例的层叠部的偏置电压。表4示出各例的基材侧单层部的组成。表5示出各例的a层的金属(含半金属)元素的组成，表6示出各例的b层的金属(含半金属)元素的组成。表7示出实施例4～6的各例的表面侧单层部的组成。关于实施例2～6，表8示出各例的各膜厚t1、t2和t3、各膜厚比t1/t2、t3/t2、(t1+t3)/t2、t3/t1和各层叠周期T。表9示出由基材侧单层部和层叠部构成的部分、以及由基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的部分的X射线衍射的结果、各例的a层和b层的电子衍射的结果以及各例的工具寿命。

实施例7～13

除了使用表1所示的各例的AlCrB合金靶和TiB合金靶，使用表2所示的各例的基材侧单层部的成膜条件，以及使用表3所示的各例的层叠部的偏置电压以外，与实施例1同样，制作了各例的包覆切削工具(铣削刀片)。在实施例7中，相对于实施例1，改变AlCrB合金靶的Al(Cr)添加量。在实施例8和9中，相对于实施例1，大幅改变AlCrB合金靶的B添加量。在实施例10和13中，相对于实施例1，改变氮气的全压。在实施例11中，相对于实施例9，改变偏置电压。在实施例12中，相对于实施例1，大幅增加AlCrB合金靶的含氧量。表1示出各例的AlCrB合金靶和TiB合金靶的组成。表2示出各例的基材侧单层部的成膜条件。表3示出各例的层叠部的偏置电压。表4示出各例的基材侧单层部的组成。表5示出各例的a层的金属(含半金属)元素的组成，表6示出各例的b层的金属(含半金属)元素的组成。表8示出各例的各膜厚t1和t2、各膜厚比t1/t2以及各层叠周期T。表9示出由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射的结果、各例的a层和b层的电子衍射的结果以及各例的工具寿命。

比较例1

除了使用表1所示的AlCrB合金靶，将成膜时的减压容器25内的氮气气氛的全压设为2Pa，将氮气的流量设为700sccm，以及将DC偏置电压设为-120V以外，与实施例1同样，制作在与实施例1种类相同的基材上仅形成基材侧单层部的本比较例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。图9示出比较例1的包覆切削工具的基材侧单层部分的X射线衍射图案。

比较例2

除了使用表1所示的AlCrB合金靶，将成膜时的减压容器25内的氮气气氛的全压设为3.5Pa，将氮气的流量设为900sccm，以及将DC偏置电压设为-120V以外，与实施例1同样，制作在与实施例1种类相同的基材上仅形成基材侧单层部的本比较例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

比较例3

除了使用表1所示的过少的氧含量(420μg/g)的AlCrB合金靶，将DC偏置电压设为-120V以外，与实施例1同样，制作在与实施例1种类相同的基材上仅形成基材侧单层部的本比较例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

比较例4

除了使用表1所示的过多的氧含量(5390μg/g)的AlCrB合金靶，将DC偏置电压设为-120V以外，与实施例1同样，制作在与实施例1种类相同的基材上仅形成基材侧单层部的本比较例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

实施例14

除了在WC基硬质合金基材上不形成使用TiB合金靶的改性层以外，与实施例1同样，制作本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

实施例15～17

除了使用表1所示的各例的AlCrBC合金靶以外，与实施例1同样，制作本实施例的包覆切削工具(铣削刀片)，并测量了工具寿命等。

表1示出实施例14～17和比较例1～4中使用的各例的由AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶以及TiB合金靶的组成。表2示出各例的基材侧单层部的成膜条件。表3示出各例的在层叠部的成膜时施加的DC偏置电压。表4示出各例的基材侧单层部的组成。表5示出各例的a层的金属(含半金属)元素的组成，表6示出各例的b层的金属(含半金属)元素的组成。表8示出各例的各膜厚t1和t2、各膜厚比t1/t2以及各层叠周期T。表9示出由基材侧单层部和层叠部构成的各例的硬质被膜的部分的X射线衍射的结果、各例的a层和b层的电子衍射的结果、以及各例的工具寿命。

表10示出从实施例1、4、6以及比较例1的各硬质被膜的部分的X射线衍射图案(图6～9)分别读取的各比值I(200)/I(111)以及各比值I(311)/I(111)。

[表1]

[表2]

注：

(1)氮气气氛的压力。

(2)对由AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶施加。

(3)对基材施加。

[表3]

注：(1)对基材施加。

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

注：

(1)基材侧单层部的膜厚。

(2)层叠部的整体的膜厚。

(3)表面侧单层部的膜厚。

(4)基材侧单层部与层叠部的整体的膜厚比。

(5)表面侧单层部与层叠部的整体的膜厚比。

(6)基材侧单层部和表面侧单层部的各膜厚的合计与层叠部的整体的膜厚之比。其中，不形成表面侧单层部时不作为评价对象。

(7)表面侧单层部与基材侧单层部的膜厚比。

(8)层叠部的a层和b层的膜厚方向的层叠周期(算术平均值)。

[表9]

注：

(1)由基材侧单层部和层叠部构成的部分的X射线衍射的结果。

(2)由基材侧单层部、层叠部和表面侧单层部构成的部分的X射线衍射的结果。

(3)仅基材侧单层部的X射线衍射的结果。

如表9所示，实施例1～17的各可转位刀片式旋转工具相比于比较例1～4的各可转位刀片式旋转工具，寿命更长。特别是作为基材侧单层部，形成了含有0.01～0.03(原子比)的C的各(AlCrB)NCO被膜(表4)的实施例15～17的可转位刀片式旋转工具为与实施例1的可转位刀片式旋转工具同等以上的长寿命。在WC基硬质合金基材的表面上没有形成改性层的实施例14的可转位刀片式旋转工具相比于实施例1～13及实施例15～17的各可转位刀片式旋转工具，寿命更短，但是相比于比较例1～4的各可转位刀片式旋转工具，寿命更长。

由于安装了比较例1～4的各铣削刀片的可转位刀片式旋转工具均缺少本发明所涉及的层叠部，因此无法发挥良好的耐磨损性，被判断为短寿命。

[表10]

例No.	I(200)/I(111)	I(311)/I(111)
			实施例1	0.30	0.06
实施例4	0.35	0.09
			实施例6	0.36	0.11
比较例1	0.39	0.18

由表10可知，关于比值I(200)/I(111)，实施例1为0.30，实施例4为0.35，以及实施例6为0.36。与此相对，比较例1的比值I(200)/I(111)较大，为0.39。关于比值I(311)/I(111)，实施例1为0.06，实施例4为0.09，以及实施例6为0.11。与此相对，比较例1的比值I(311)/I(111)较大，为0.18。

在上述实施例中，使用由相同的AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶，将基材侧单层部、b层、进而表面侧单层部成膜为大致相同的组合物，但不特别限定。例如，可以使用由多个不同组成的AlCrB合金或AlCrBC合金构成的靶，在本发明的范围内适当地变更基材侧单层部和层叠部的b层、进而表面侧单层部的任意一个组成。

附图标记的说明

1：驱动部

2：气体导入部

3：偏置电源

6：下部装夹具(支柱)

7：基材

8：上部装夹具

10、18：阴极物质(靶)

11、12：电弧放电用电源

13、27：电弧放电式蒸发源

14：电弧放电式蒸发源固定用绝缘物

15：电弧点火机构轴承部

16：电弧点火机构

17：排风口

19：电极固定用绝缘物

20：电极

21：遮蔽板轴承部

22：遮蔽板驱动部

23：遮蔽板

24：轴承部

25：减压容器

31：WC基硬质合金基材

32：改性层

33：基材侧单层部

34：层叠部

35：表面侧单层部

40A：铣削用刀片(刀片基材)

45a：刀片的前刀面

46：工具主体

47：刀片用固定螺钉

48：工具主体的前端部

50：包覆切削工具(可转位刀片式旋转工具)

a：a层

b：b层

Claims

1.一种包覆切削工具，其在基材上具有硬质被膜，其特征在于，

作为所述硬质被膜，从基材侧依次具有基材侧单层部和层叠部，

所述基材侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率、即原子比为0.9以上，且至少含有B，

所述层叠部由氮化物主体的a层和氮化物主体的b层交替层叠而成，该氮化物主体的a层中，以金属元素的比例计Ti最多，且至少含有B；该氮化物主体的b层中，以金属元素的比例计Al最多，且至少含有Cr与B，

所述金属元素包含半金属元素，

a层和b层在膜厚方向上的层叠周期为5～100nm，

由所述基材侧单层部和所述层叠部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成。

2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其特征在于，

所述基材侧单层部的膜厚t1为1.0～5μm，所述层叠部的整体的膜厚t2为0.5～2.5μm，所述基材侧单层部与所述层叠部的整体的膜厚比t1/t2为1.0～5。

3.根据权利要求1或2所述的包覆切削工具，其特征在于，

在所述层叠部上具有表面侧单层部，所述表面侧单层部的膜厚t3为0.3～5μm，

由所述基材侧单层部、所述层叠部和所述表面侧单层部构成的部分的X射线衍射图案由fcc的单一结构构成，

所述表面侧单层部由氮化物主体的硬质被膜构成，该氮化物主体的硬质被膜中，以金属元素的比例计Al最多，Al与Cr的合计的含有比率、即原子比为0.9以上，且至少含有B，

所述金属元素包含半金属元素。

4.根据权利要求1或2所述的包覆切削工具，其特征在于，

所述X射线衍射图案中的(200)面的X射线衍射峰I(200)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(200)/I(111)为0.2～0.37。

5.根据权利要求1或2所述的包覆切削工具，其特征在于，

所述X射线衍射图案中的(311)面的X射线衍射峰I(311)与(111)面的X射线衍射峰I(111)之比I(311)/I(111)为0.03～0.15。

6.一种包覆切削工具的制造方法，其特征在于，通过电弧离子镀法制造权利要求1所述的包覆切削工具，

除了不可避免的杂质以外，所述基材侧单层部和所述b层的形成用靶由AlCrB合金或AlCrBC合金构成，该AlCrB合金或AlCrBC合金具有由下述通式：Al_αCr_1-α-β-γB_βC_γ表示的组成，其中，α、1-α-β-γ、β和γ分别表示Al、Cr、B和C的原子比，α、β和γ的数字满足0.4≤α≤0.8、0.04≤β≤0.165、以及0≤γ≤0.035，

除了不可避免的杂质以外，所述a层的形成用靶由TiB合金构成，该TiB合金具有由下述通式：Ti_1-δB_δ表示的组成，其中，1-δ和δ分别表示Ti和B的原子比，δ的数字满足0.1≤δ≤0.5，

在作为全压2.7Pa～3.3Pa的氮气气氛中，将基材温度设为400℃～550℃，将在形成所述基材侧单层部时对基材施加的偏置电压设为-160V～-110V，将在形成所述层叠部时对基材施加的偏置电压设为-140V～-80V。

7.根据权利要求6所述的包覆切削工具的制造方法，其特征在于，

具有在所述层叠部上形成表面侧单层部的工序，

将在形成所述表面侧单层部时对基材施加的偏置电压设为-160V～-100V。

8.根据权利要求7所述的包覆切削工具的制造方法，其特征在于，

作为所述表面侧单层部的形成用靶，使用与所述基材侧单层部相同的AlCrB合金或AlCrBC合金。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的包覆切削工具的制造方法，其特征在于，

当形成所述层叠部时，对所述a层的形成用靶和所述b层的形成用靶同时通上电弧电流。