CN113474111A - 表面包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
一种表面包覆切削工具，其在工具基体的表面上设置有硬质包覆层，所述硬质包覆层在工具表面侧(S)层叠一层包含70面积％以上的纤锌矿型六方晶结构的TiAlCN层α(1)、且在工具基体侧(B)层叠一层包含70面积％以上的NaCl型面心立方结构的TiAlCN层β(2)，并且在由(Ti(1‑xα)Alxα)(CyαN(1‑yα))表示TiAlCN层α(1)的组成的情况下，0.70≤xα≤0.95且0.000≤yα≤0.010，在由(Ti(1‑xβ)Alxβ)(CyβN(1‑yβ))表示TiAlCN层β(2)的组成的情况下，0.65≤xβ≤0.95且0.000≤yβ≤0.010，在将TiAlCN层α(1)和TiAlCN层β(2)的各平均层厚设为Lα、Lβ的情况下，0.5μm≤Lα≤10.0μm且1.0μm≤Lβ≤20.0μm。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下，有时称为包覆工具)，其即使用于铸铁等高速断续切削加工中，硬质包覆层也具备优异的耐崩刀性，从而在长期使用时发挥优异的切削性能。
本申请主张基于2018年12月27日于日本申请的专利申请2018-243963号及2019年12月17日于日本申请的专利申请2019-227056号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
以往，已知有在碳化钨(以下，由WC表示)基硬质合金等工具基体的表面上包覆形成了Ti-Al系复合碳氮化物层作为硬质包覆层的包覆工具，并且这些包覆工具发挥优异的耐磨性。
然而，所述以往的包覆形成了Ti-Al系复合碳氮化物层的包覆工具虽然耐磨性相对优异，但是在高速断续切削条件下使用时容易产生崩刀等异常磨损，因此针对硬质包覆层的改善提出了各种方案。
例如，在专利文献1中，记载有一种氮化钛铝膜包覆工具，其特征在于，在工具基体上设置由一层或多层形成的包覆层且该包覆层中的至少一层为至少包含钛、铝及氮的氮化钛铝膜的氮化钛铝膜包覆工具中，该氮化钛铝膜的晶体结构为立方晶，具有残留拉应力，并且氯含量为0.01～2质量％。
并且，例如，在专利文献2中，记载有一种由硬质材料包覆的包覆工具，其特征在于，在由CVD(化学气相沉积)形成的多个Ti1-xAlxN层和/或Ti1-xAlxC层和/或Ti1-xAlxCN层(式中，x为0.65～0.95)上配置有Al2O3层作为外层。
而且，例如，在专利文献3中，记载有一种具有覆膜的包覆工具，所述覆膜为如下：包括由Ti1-xAlxN形成的第一单元层和由Ti1-yAlyN形成的第二单元层交替层叠而成的多层结构作为多层，所述第一单元层具有fcc型晶体结构且为0＜x＜0.65，第二单元层具有hcp型晶体结构且为0.65≤y＜1。
另外，例如，在专利文献4中，记载有一种具有硬质覆膜的包覆工具，所述硬质覆膜为如下：包含多个晶粒和所述晶粒之间的非晶质相，所述晶粒分别具备具有fcc结构的Ti1- xAlxN层和具有hcp结构的Ti1-yAlyN层交替层叠而成的结构，并且满足0≤x＜1、0＜y≤1、(y-x)≥0.1的关系，所述非晶质相包含Ti及Al中的至少一个碳化物、氮化物或碳氮化物。
另外，例如，在专利文献5中，记载有一种硬质被膜，其具有由以fcc结构为主体的氮化钛铝被膜形成的下层和由hcp结构的氮化铝被膜形成的上层，所述硬质被膜的特征在于，所述上层具有柱状晶体组织，所述柱状晶体的平均横截面直径为0.05～0.6μm，所述上层中的(100)面的X射线衍射峰值Ia(100)与(002)面的X射线衍射峰值Ia(002)之比满足Ia(002)/Ia(100)≥6的关系。
专利文献1：日本特开2001-341008号公报(A)
专利文献2：日本特表2011-516722号公报(A)
专利文献3：日本特开2015-124407号公报(A)
专利文献4：日本特开2016-3369号公报(A)
专利文献5：国际专利公开2018/008554号(A)
其中，在专利文献1～专利文献4中所记载的包覆工具用于铸铁等高速断续切削加工中的情况下，包覆工具的前刀面的被膜中产生热裂纹等异常损伤，容易产生以此为起点的崩刀，因此不能说发挥令人满意的切削性能。
并且，在专利文献5中所记载的包覆工具用于铸铁等高速断续切削加工中的情况下，上部层与下部层的密合性不充分，容易产生上部层的剥离和以此为起点的崩刀，因此不能说发挥令人满意的切削性能。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种包覆工具，其即使用于铸铁等高速断续切削加工中，硬质包覆层也具备优异的耐崩刀性，从而在长期使用时发挥优异的切削性能。
本发明人对由作为硬质包覆层的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层(以下，将该复合氮化物层或复合碳氮化物层也标记为TiAlCN层)的热裂纹等异常损伤引起的崩刀的产生进行了深入研究的结果，收获如下新的发现：只要在将耐磨性良好的NaCl型面心立方结构(有时称为立方晶)的TiAlCN层配置成接近工具基体的层(工具基体侧的层)并层叠耐热裂纹性良好的TiAlCN层的纤锌矿型六方晶结构(有时称为六方晶)的层，则提高铸铁等高速断续切削加工时的耐崩刀性。
本发明基于该发现，
“(1)一种表面包覆切削工具，其在工具基体的表面上设置有硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
(a)所述硬质包覆层为如下层叠结构：分别在工具表面侧具有一层TiAlCN层α，且在所述工具基体侧具有一层TiAlCN层β，所述TiAlCN层α包含70面积％以上的具有纤锌矿型六方晶结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，所述TiAlCN层β包含70面积％以上的具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
(b)在由组成式：(Ti(1-xα)Alxα)(CyαN(1-yα))表示所述TiAlCN层α的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xα和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yα(其中，xα、yα均为原子比)分别满足0.70≤xα≤0.95且0.000≤yα≤0.010，
(c)在由组成式：(Ti(1-xβ)Alxβ)(CyβN(1-yβ))表示所述TiAlCN层β的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xβ和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yβ(其中，xβ、yβ均为原子比)分别满足0.65≤xβ≤0.95且0.000≤yβ≤0.010，
(d)在将所述TiAlCN层α和所述TiAlCN层β的各平均层厚设为Lα、Lβ的情况下，满足0.5μm≤Lα≤10.0μm且1.0μm≤Lβ≤20.0μm。
(2)所述(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述xα与所述xβ之差满足|xα―xβ|≤0.20。
(3)所述(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β之间存在TiAlCN层γ，所述TiAlCN层γ至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
(a)在由组成式：(Ti(1-xγ)Alxγ)(CyγN(1-yγ))表示所述TiAlCN层γ的组成的情况下，关于Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xγ和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yγ(其中，xγ、yγ均为原子比)，
xγ满足xα≤xγ≤xβ或xα≥xγ≥xβ，
yγ满足0.000≤yγ≤0.010，
(b)在将所述TiAlCN层γ的平均层厚设为Lγ的情况下，满足0.1μm≤Lγ≤1.0μm。
(4)所述(1)或(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述xα和所述xβ为xα≠xβ的情况下，在所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β之间存在TiAlCN层δ，所述TiAlCN层δ至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
(a)关于所述TiAlCN层δ，
在由组成式：(Ti(1-xδL)AlxδL)(CyδLN(1-yδL))表示在所述TiAlCN层δ的层厚方向上进行二等分的所述工具基体侧的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδL和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδL(其中，xδL、yδL均为原子比)，
并且，在由组成式：(Ti(1-xδH)AlxδH)(CyδHN(1-yδH))表示在所述TiAlCN层δ的层厚方向上进行二等分的所述工具表面侧的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδH和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδH(其中，xδH、yδH均为原子比)满足：
xα≤xδH＜xδL≤xβ或xβ≤xδL＜xδH≤xα，及
0.000≤yδL≤0.010且0.000≤yδH≤0.010，
(b)在将所述TiAlCN层δ的平均层厚设为Lδ的情况下，满足0.1μm≤Lδ≤1.0μm。
(5)所述(1)至(4)中任一项所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述表面包覆切削工具的前刀面具有所述硬质包覆层，并在后刀面的表面具有所述TiAlCN层β，所述硬质包覆层包括所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β的层叠结构。”。
本发明的表面包覆切削工具发挥如下优异的效果：通过在维持后刀面上的耐磨性的同时，防止在前刀面上产生热裂纹，从而防止从前刀面至后刀面的损伤，即使为铸铁等高速断续切削，寿命也长。
附图说明
图1是本发明所涉及的表面包覆切削工具的硬质包覆层的纵截面(垂直于工具基体的截面)的一实施方式，并且是在工具表面侧的TiAlCN层α与工具基体侧的TiAlCN层β之间不具有TiAlCN层γ、TiAlCN层δ的表面包覆切削工具的示意图。
图2是本发明所涉及的表面包覆切削工具的硬质包覆层的纵截面(垂直于工具基体的截面)的另一实施方式，并且是在工具表面侧的TiAlCN层α与工具基体侧的TiAlCN层β之间具有TiAlCN层γ或TiAlCN层δ的表面包覆切削工具的示意图。
图3是本发明所涉及的表面包覆切削工具的硬质包覆层的纵截面(垂直于工具基体的截面)的又一实施方式，并且是在前刀面具有包括TiAlCN层α与TiAlCN层β的层叠结构的硬质包覆层且在后刀面具有TiAlCN层β的表面包覆切削工具的示意图。
具体实施方式
以下，对本发明的包覆工具进行更详细的说明。另外，在本说明书、权利要求的记载中，在使用“～”表现数值范围的情况下，其范围包括上限及下限数值。
硬质包覆层的层叠结构：
如图1所示，本发明所涉及的包覆工具具有如下层叠结构：分别在工具表面侧(S)具有一层包含70面积％以上(上限可以为100面积％)的具有纤锌矿型六方晶结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的TiAlCN层α(1)，且在工具基体侧(B)具有一层包含70面积％以上(上限可以为100面积％)的具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的TiAlCN层β(2)。
设为该层叠结构的原因在于，通过在工具表面侧(S)配置耐热裂纹性良好的TiAlCN层α(1)且在工具基体侧(B)配置耐磨性良好的TiAlCN层β(2)，能够在维持后刀面(6)的耐磨性的同时，防止在前刀面(5)产生热裂纹，进一步能够防止从前刀面(5)至后刀面(6)的损伤，从而即使在铸铁等高速断续切削加工时也能够长期发挥优异的切削性能。
并且，通过使TiAlCN层α(1)和TiAlCN层β(2)这两个均含有Al，能够提高层间的密合性。并且，如图2所示，根据需要，为了提高该TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性，优选在两层之间具备具有NaCl型面心立方结构的TiAlCN层γ或具有NaCl型面心立方结构的TiAlCN层δ中的任一个。
以下，对各层进行详细叙述。
TiAlCN层α：
TiAlCN层α(1)为耐热裂纹性(耐热冲击性)优异且至少包含具有纤锌矿型六方晶结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的层，并且设置于工具表面侧(S)。
TiAlCN层α的组成：
在由组成式：(Ti(1-xα)Alxα)(CyαN(1-yα))表示组成的情况下，控制TiAlCN层α(1)的组成，以使Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xα及C在C与N的总量中所占的平均含有比例yα(其中，xα、yα均为原子比)分别满足0.70≤xα≤0.95且0.000≤yα≤0.010。
将xα设在该范围内的原因在于，若xα小于0.70，则无法稳定地形成纤锌矿型六方晶结构而耐热裂纹性降低，因此不优选，并且若xα超过0.95，则与TiAlCN层β(2)的密合性降低而耐磨性降低，因此不优选。并且，将yα设在该范围内的原因在于，在该范围内时润滑性得到提高而缓和切削时的冲击以提高耐崩刀性，若脱离该范围，则导致与TiAlCN层β(2)的密合性降低。
TiAlCN层α的平均层厚：
TiAlCN层α(1)的平均层厚Lα优选为0.5μm～10.0μm。设在该范围内的原因在于，若小于0.5μm，则导致硬质包覆层即使在前刀面(5)也会提前磨损而无法发挥耐热裂纹性的提高效果，并且若超过10.0μm，则晶粒粗大化而耐崩刀性降低。更优选的平均层厚范围为1.0μm～3.0μm。
TiAlCN层α的具有纤锌矿型六方晶结构的晶粒的面积比例：
TiAlCN层α(1)的具有纤锌矿型六方晶结构的晶粒的面积比例设为70面积％以上。若不是70面积％以上，则具有纤锌矿型六方晶结构的晶粒的量不充分，从而导致耐热裂纹性、耐崩刀性降低。更优选的面积比例为85面积％以上，也可以为100面积％。
TiAlCN层β：
TiAlCN层β(2)为耐磨性优异且至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒的层，并且设置于工具基体侧(B)。
TiAlCN层β的组成：
在由组成式：(Ti(1-xβ)Alxβ)(CyβN(1-yβ))表示组成的情况下，控制TiAlCN层β(2)的组成，以使Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xβ及C在C与N的总量中所占的平均含有比例yβ(其中，xβ、yβ均为原子比)分别满足0.65≤xβ≤0.95且0.000≤yβ≤0.010。
将xβ设在该范围内的原因在于，若小于0.65，则TiAlCN层β(2)的硬度降低而耐磨性不充分，另一方面，若超过0.95，则Ti的含有比例相对减少，因此容易含有纤锌矿型六方晶结构的晶粒而导致耐磨性降低，因此不优选。并且，当yβ在该范围内时，通过提高TiAlCN层β(2)与工具基体(3)或与后述下部层的密合性且提高润滑性来缓和切削时的冲击，从而提高TiAlCN层β(2)的耐崩刀性、耐缺损性，另一方面，若脱离该范围，则与TiAlCN层α(1)的密合性降低，因此不优选。
TiAlCN层β的平均层厚：
TiAlCN层β(2)的平均层厚Lβ优选为1.0μm～20.0μm。设在该范围内的原因在于，若小于1.0μm，则由于层厚较薄而在长期使用时无法充分确保耐磨性，另一方面，若超过20.0μm，则TiAlCN层β(2)的晶粒容易粗大化而容易产生崩刀，因此不优选。更优选的平均层厚范围为5.0μm～12.0μm。
TiAlCN层β的具有NaCl型面心立方结构的晶粒的面积比例：
TiAlCN层β(2)的具有NaCl型面心立方结构的晶粒的面积比例设为70面积％以上。若不是70面积％以上，则耐磨性降低而后刀面(6)磨损容易加剧，从而导致提前达到作为包覆工具的寿命。更优选的面积比例为85面积％以上，也可以为100面积％。
TiAlCN层α的Al的平均含有比例xα与TiAlCN层β的Al的平均含有比例xβ的组成差：
TiAlCN层α(1)的Al的平均含有比例xα与TiAlCN层β(2)的Al的平均含有比例xβ的组成差优选为|xα-xβ|≤0.20即-0.20≤xα-xβ≤0.20。若在该范围内，则TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性得到提高而容易防止热裂纹产生后的崩刀。
TiAlCN层γ：
为了提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性，优选在两层之间具备具有NaCl型面心立方结构的TiAlCN层γ(4)。
TiAlCN层γ的组成：
在由组成式：(Ti(1-xγ)Alxγ)(CyγN(1-yγ))表示TiAlCN层γ(4)的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xγ及C在C与N的总量中所占的平均含有比例yγ(其中，xγ、yγ均为原子比)满足xα≤xγ≤xβ或xα≥xγ≥xβ，并且优选为0.000≤yγ≤0.010。通过设置该组成的TiAlCN层γ(4)，能够容易产生TiAlCN层α(1)的晶粒的初始核以提高核密度，从而能够提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性以提高耐崩刀性。
TiAlCN层γ的平均层厚：
TiAlCN层γ的平均层厚设为0.1～1.0μm。设在该范围内的原因在于，若小于0.1μm，则TiAlCN层γ的平均层厚过薄而存在未被TiAlCN层γ充分包覆的TiAlCN层β(2)的区域，并且若超过1.0μm，则TiAlCN层γ的晶粒变得粗大，无法充分产生TiAlCN层α(1)的晶粒的初始核而无法提高核密度，从而均无法期待提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性。
TiAlCN层δ：
在xα≠xβ时，为了提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性，进一步优选在两层之间具备具有NaCl型面心立方结构的TiAlCN层δ来代替TiAlCN层γ。
TiAlCN层δ的组成：
在将TiAlCN层δ在其层厚方向上二等分时，
优选在由组成式：(Ti(1-xδL)AlxδL)(CyδLN(1-yδL))表示工具基体侧(B)的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδL及C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδL(其中，xδL、yδL均为原子比)、
在由组成式：(Ti(1-xδH)AlxδH)(CyδHN(1-yδH))表示工具表面侧(S)的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδH及C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδH(其中，xδH、yδH均为原子比)分别满足xα≤xδH＜xδL≤xβ或xβ≤xδL＜xδH≤xα，及0.000≤yδH≤0.010且0.000≤yδL≤0.010。
通过如此规定组成以使TiAlCN层β(2)中的xβ与TiAlCN层δ的xδL接近，能够进一步提高TiAlCN层β(2)与TiAlCN层δ(4)的密合性，另外通过使TiAlCN层α(1)中的xα与TiAlCN层δ(4)的xδH接近，还能够提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层δ(4)的密合性，并且提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性，从而能够提高耐崩刀性。
TiAlCN层δ的平均层厚：
TiAlCN层δ(4)的平均层厚设为0.1～1.0μm。设在该范围内的原因在于，若小于0.1μm，则TiAlCN层δ(4)的平均层厚过薄而存在未被TiAlCN层δ(4)充分包覆的TiAlCN层β(2)的区域，并且若超过1.0μm，则TiAlCN层δ(4)的晶粒变得粗大，无法充分产生TiAlCN层α(1)的晶粒的初始核而核密度不高，从而均无法期待提高TiAlCN层α(1)与TiAlCN层β(2)的密合性。
在前刀面具有包括TiAlCN层α和TiAlCN层β的层叠结构的硬质包覆层且在后刀面的表面上具有TiAlCN层β：
如图3所示，优选在前刀面(5)设置包括TiAlCN层α(1)和TiAlCN层β(2)的层叠结构的硬质包覆层，并且在后刀面(6)的表面上仅设置TiAlCN层β(2)。在后刀面(6)可以设置有TiAlCN层α(1)，但是在与工件材料摩擦最多的后刀面(6)的表面上不存在耐磨性低的TiAlCN层α(1)时，能够防止TiAlCN层α(1)的下部的TiAlCN层β(2)与TiAlCN层α(1)一起脱落，从而更进一步提高工具寿命。
其他层：
具有本发明的所述层叠结构的硬质包覆层也可以包括其他层。例如，在将包括由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形成且具有0.1～20.0μm的合计平均层厚的Ti化合物层的下部层与工具基体(3)相邻而设置的情况下，与这些层所发挥的效果相互协同，从而能够发挥进一步优异的耐磨性及热稳定性。
在此，若下部层的合计平均层厚小于0.1μm，则无法充分发挥下部层的效果，另一方面，若超过20.0μm，则下部层的晶粒容易粗大化而容易产生崩刀。
TiAlCN层α、TiAlCN层β、TiAlCN层γ、TiAlCN层δ的各TiAlCN层的边界和平均层厚、组成、晶体结构及面积率的测量法：
关于TiAlCN层α(1)、TiAlCN层β(2)、TiAlCN层γ(4)、TiAlCN层δ(4)的TiAlCN层各层的边界，通过如下来求出：使用聚焦离子束装置(FIB：Focused IonBeam system)和离子束剖面研磨机(CP：Cross section Polisher)等对硬质包覆层进行研磨来制作研磨后的纵截面(垂直于工具基体的截面)，在该纵截面中，将纵向为硬质包覆层整体的层厚且横向为与工具基体平行的100μm的四边形作为测量区域，使用电子束背散射分析装置，根据用1nA的照射电流将15kV的加速电压的电子束以70度的入射角度并以0.01μm的间隔照射于所述测量区域上而获得的电子束背散射衍射图像来分析每个晶粒的晶体结构。
将在相邻的测量点(像素)之间具有5度以上的取向差的部位定义为晶界。但是，与相邻的所有像素具有5度以上的取向差的单独存在的像素不被视为晶粒，而是将连接两个像素以上的像素被视为晶粒。
以这种方式确定各晶粒并区分其晶体结构来确定所述各层，从而能够求出各层中的纤锌矿型六方晶结构或NaCl型面心立方结构的晶粒的面积率。
只要划定所述TiAlCN层各层的边界，则能够在所划定的各层的边界区域之间求出平均层厚，并且关于各层的Al的平均含有比例(xα、xβ、xγ、xδL、xδH)，能够通过如下来求出：使用俄歇电子能谱法照射电子束而在层厚方向上进行多个(例如，5条以上)线分析，将获得的分析结果进行平均。
而且，关于各层的C的平均含有比例(yα、yβ、yγ、yδL、yδH)，能够通过二次离子质谱分析法来求出各层每一个。即，通过交替重复基于离子束的面分析和基于溅射离子束的蚀刻来进行深度方向上的含有比例测量。具体而言，在所述各TiAlCN层中，从侵入0.5μm以上的部位开始，求出以0.1μm以下的间距且至少以0.5μm的长度进行测量而获得的平均值，并在5个部位以上进行该测定，从而求出各层的C的平均含有比例。
工具基体：
关于工具基体(3)，作为这种工具基体，只要为以往公知的基材，只要不会阻碍实现本发明的目的，则能够使用任一种。若举出一例，则优选硬质合金(除了WC基硬质合金、WC以外，还包含Co，还包含添加Ti、Ta、Nb等碳氮化物的合金等)、金属陶瓷(将TiC、TiN、TiCN等作为主成分的金属陶瓷等)、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)或cBN烧结体中的任一种。
制造方法：
关于本发明的各TiAlCN层，例如能够通过如下而获得：以规定的相位差向工具基体或处于该工具基体上的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至少一层以上的上方供给例如由如下组成的气体组A和气体组B形成的两种反应气体。
作为反应气体的气体组成的一例，％设为容量％(将气体组A与气体组B之和设为整体)，
(1)TiAlCN层α形成用反应气体α
气体组A：NH3：5.0～10.0％、N2：3.0～5.0％、
Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.70～1.20％、TiCl4：0.10～0.30％、
N2：3.0～12.0％、
HCl：0.00～0.10％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：750～950℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
(2)TiAlCN层β形成用反应气体β
气体组A：NH3：1.0～2.0％、Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.60～1.40％、TiCl4：0.05～0.50％、
N2：0.0～5.0％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：700～850℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
(3)TiAlCN层γ及δ形成用反应气体γ及δ
气体组A：NH3：3.0～4.0％、N2：1.0～2.0％、
Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.6～1.2％、TiCl4：0.10～0.30％、
N2：0.0～5.0％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：700～850℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
在TiAlCN层δ的形成中，从TiAlCN层δ的成膜开始直至成膜结束为止气体的组成变化为线性变化(倾斜变化)，或能够通过从TiAlCN层δ的成膜开始时至成膜结束时，使气体组成发生变化，在此期间进行多次固定一定时间的组成来形成TiAlCN层δ。
实施例
接着，对实施例进行说明。
在此，作为本发明包覆工具的具体例，对适用于使用WC基硬质合金作为工具基体的刀片切削工具的包覆工具进行叙述，但是即使在使用其他前述材料作为工具基体的情况下也同样，并且在适用于钻头、立铣刀等的情况下也同样。
＜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，进一步添加石蜡后在丙酮中球磨混合24小时并进行了减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型成规定形状的压坯，并在5Pa的真空中以1370℃～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下对该冲压成型体进行真空烧结，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～工具基体C。
接着，使用CVD装置，在这些工具基体A～工具基体C的表面上通过CVD形成TiAlCN层，从而获得了表7所示的本发明包覆工具1～10。
成膜条件如表2～表4中所记载，但是大致如下。气体组成的％为容量％(将气体组A与气体组B之和设为整体(100容量％))。
(1)TiAlCN层α形成用反应气体α(表2)
气体组A：NH3：5.0～10.0％、N2：3.0～5.0％、
Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.70～1.20％、TiCl4：0.10～0.30％、
N2：3.0～12.0％、
HCl：0.00～0.10％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：750～950℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
(2)TiAlCN层β形成用反应气体β(表3)
气体组A：NH3：1.0～2.0％、Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.60～1.40％、TiCl4：0.05～0.50％、
N2：0.0～5.0％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：700～850℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
(3)TiAlCN层γ及δ形成用反应气体γ及δ(表4)
气体组A：NH3：3.0～4.0％、N2：1.0～2.0％、
Ar：1.0～5.0％、H2：50～60％
气体组B：AlCl3：0.6～1.2％、TiCl4：0.10～0.30％、
N2：0.0～5.0％、C2H4：0.0～0.5％、H2：剩余部分
反应气氛压力：4.5～5.0kPa
反应气氛温度：700～850℃
供给周期：4.0～12.0秒钟
每一周期的气体供给时间：0.20～0.70秒钟
气体组A与气体组B的供给的相位差：0.18～0.60秒钟
如表4所示，TiAlCN层γ的气体组成没有变化，在TiAlCN层δ的形成中，从TiAlCN层γ的成膜开始直至成膜结束为止气体的组成变化为L(倾斜变化)，或为在使从TiAlCN层γ的成膜开始时至成膜结束时，使气体组成发生变化，在此期间进行多次固定一定时间的组成的S(阶梯状变化)。
并且，后刀面的硬质包覆层仅为TiAlCN层β的本发明包覆工具通过使用弹性砂轮进行研磨来去除后刀面的TiAlCN层α。
另外，本发明包覆工具4～6、本发明包覆工具8～10根据表5中所示出的成膜条件来形成了表6中所示出的下部层。
以比较为目的，根据表2～表4所示的条件来在工具基体A～工具基体C的表面进行使用CVD装置的成膜，从而制造了表7所示的比较包覆工具1～10。
另外，比较包覆工具4～6、比较包覆工具8～10根据表5中所示出的成膜条件来形成了表6中所示出的下部层。
关于本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10，通过前述方法来求出各TiAlCN层的组成、平均层厚、纤锌矿型六方晶结构的晶粒的面积率、NaCl型面心立方结构的晶粒的面积率，并将其结果示于表7中。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
注1：气体组成的变化在倾斜变化时为L，在阶梯状变化时为S
注2：上段的气体组成在倾斜变化L时为成膜开始时的组成，下段的气体组成为成膜结束时的组成注3：上段的气体组成在阶梯状变化S时为成膜前半段的组成，下段的气体组成为成膜后半段的组成
[表5]
[表6]
[表7]
注1：“-”表示不存在或不需要进行研究
注2：*六方晶的面积比例是指具有纤锌矿型晶体结构的晶粒的面积比例(％)
注3：*立方晶的面积比例是指具有NaCl型面心立方结构的晶粒的面积比例(％)
注4：不等式1的成立是指xα＜xγ＜xβ或xα＞xγ＞xβ成立时为○记号，不成立时为×记号
注5：不等式2的成立是指xα≤xδH＜xδL≤xβ或xα≥xδH＞xδL≥xβ成立时为○记号，不成立时为×记号
注6：仅后刀面是指在后刀面的表面仅具有TiAlCN层β时为○记号，不是时为/记号
接着，对所述本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10进行了如下切削试验。
在利用固定夹具将所述各种包覆工具夹紧于刀具直径为85mm的合金钢制刀具前端部的状态下，实施以下所示的铸铁的湿式高速正面铣削及中心切割式切削加工试验，并测量了切削刃的后刀面磨损宽度。在表8中示出切削试验的结果。另外，关于比较包覆工具1～10，由于产生崩刀而达到寿命，因此示出了达到寿命为止的时间。
切削试验：湿式高速正面铣削及中心切割式切削试验
刀具直径：85mm
工件材料：JIS·FCD700的宽度为60mm且长度为400mm的块体材料
转速：1124min-1
切削速度：300m/min
切口：3.0mm
单刃进给量：0.3mm/刃
切削时间：5分钟
(通常的切削速度为200m/min)
[表8]
达到比较包覆工具的寿命的切削时间(分钟)表示由于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9所示的配合组成，进一步添加石蜡后在丙酮中球磨混合24小时并进行了减压干燥。之后，以98MPa的压力冲压成型成规定形状的压坯，并在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下对该压坯进行了真空烧结。在烧结之后，通过对切刃棱线部实施R：0.07mm的刃口修磨加工来分别制造出具有ISO标准CNMG120412的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体α～工具基体γ。
接着，通过与实施例1同样的方法，在表2～表4所示的条件下，使用CVD装置，在这些工具基体α～工具基体γ的表面上形成TiAlCN层α、TiAlCN层β、TiAlCN层γ及TiAlCN层δ，从而获得了表11所示的本发明包覆工具11～20。
另外，本发明包覆工具14～16、本发明包覆工具18、19根据表5中所记载的成膜条件来形成了表10中所示出的下部层。
并且，与实施例1同样地，以比较为目的，根据表2～表4所示的条件并使用CVD法在工具基体α～工具基体γ的表面上进行成膜，从而制造了表11所示的比较包覆工具11～20。
另外，比较包覆工具14～16、比较包覆工具18、19根据表5中所示出的形成条件来形成了表10中所示出的下部层。
并且，与实施例1同样地，关于所述本发明包覆工具11～20、比较包覆工具11～20的硬质包覆层，使用前述方法来求出了各TiAlCN层的组成、平均层厚、纤锌矿型六方晶结构的晶粒的面积率、NaCl型面心立方结构的晶粒的面积率。将这些结果示于表11中。
[表9]
[表10]
[表11]
注1：“-”表示不存在或不需要进行研究
注2：*六方晶的面积比例是指具有纤锌矿型晶体结构的晶粒的面积比例(％)
注3：*立方晶的面积比例是指具有NaCl型面心立方结构的晶粒的面积比例(％)
注4：不等式1的成立是指xα＜xγ＜xβ或xα＞xγ＞xβ成立时为○记号，不成立时为×记号
注5：不等式2的成立是指xα≤xδH＜xδL≤xβ或xα≥xδH＞xδL≥xβ成立时为○记号，不成立时为×记号
注6：仅后刀面是指在后刀面的表面仅具有TiAlCN层β时为○记号，不是时为/记号
接着，在利用固定夹具将所述各种包覆工具均螺纹紧固于合金钢制车刀的前端部的状态下，对本发明包覆工具11～20、比较包覆工具11～20实施以下所示的干式高速断续切削试验，并测量了切削刃的后刀面磨损宽度。将其结果示于表12中。另外，关于比较包覆工具11～20，由于产生崩刀而达到寿命，因此示出了达到寿命为止的时间。
切削试验：干式高速断续切削加工
工件材料：JIS·FCD600长度方向上等间隔形成有8条纵槽的圆棒
切削速度：350m/min
切口：3.0mm
进给速度：0.3mm/rev
切削时间：5分钟
(通常的切削速度为200m/min)
[表12]
达到比较包覆工具的寿命的切削时间(分钟)表示由于产生崩刀而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
从表8、表12所示的结果可知，在本发明包覆工具1～20中，硬质包覆层均具有优异的耐崩刀性，因此即使在用于铸铁等高速断续切削加工中的情况下也不会产生崩刀，能够长期发挥优异的耐磨性。相对于此，在对本发明的包覆工具中所规定的事项均不满足的比较包覆工具1～20中，在用于铸铁等高速断续切削加工中的情况下产生崩刀，在短时间内达到了使用寿命。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的包覆工具能够用作铸铁等高速断续切削加工的包覆工具，而且能经长期发挥优异的耐磨性，因此能够实现能够充分满足切削装置的高性能化以及切削加工的省力化及节能化以及低成本化的要求。
符号说明
1-TiAlCN层α，2-TiAlCN层β，3-工具基体，4-TiAlCN层γ或TiAlCN层δ，5-前刀面，6-后刀面，S-工具表面侧，B-工具基体侧。
Claims (5)
1.一种表面包覆切削工具，其在工具基体的表面上设置有硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，
a.所述硬质包覆层为如下层叠结构：分别在工具表面侧具有一层TiAlCN层α，且在所述工具基体侧具有一层TiAlCN层β，所述TiAlCN层α包含70面积％以上的具有纤锌矿型六方晶结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，所述TiAlCN层β包含70面积％以上的具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
b.在由组成式：(Ti(1-xα)Alxα)(CyαN(1-yα))表示所述TiAlCN层α的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xα和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yα分别满足0.70≤xα≤0.95且0.000≤yα≤0.010，其中，xα、yα均为原子比，
c.在由组成式：(Ti(1-xβ)Alxβ)(CyβN(1-yβ))表示所述TiAlCN层β的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xβ和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yβ分别满足0.65≤xβ≤0.95且0.000≤yβ≤0.010，其中，xβ、yβ均为原子比，
d.在将所述TiAlCN层α和所述TiAlCN层β的各平均层厚设为Lα、Lβ的情况下，满足0.5μm≤Lα≤10.0μm且1.0μm≤Lβ≤20.0μm。
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xα与所述xβ之差满足|xα―xβ|≤0.20。
3.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β之间存在TiAlCN层γ，所述TiAlCN层γ至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
a.在由组成式：(Ti(1-xγ)Alxγ)(CyγN(1-yγ))表示所述TiAlCN层γ的组成的情况下，关于Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xγ和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yγ，
xγ满足xα≤xγ≤xβ或xα≥xγ≥xβ，
yγ满足0.000≤yγ≤0.010，
其中，xγ、yγ均为原子比，
b.在将所述TiAlCN层γ的平均层厚设为Lγ的情况下，满足0.1μm≤Lγ≤1.0μm。
4.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述xα和所述xβ为xα≠xβ的情况下，在所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β之间存在TiAlCN层δ，所述TiAlCN层δ至少包含具有NaCl型面心立方结构的Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，
a.关于所述TiAlCN层δ，
在由组成式：(Ti(1-xδL)AlxδL)(CyδLN(1-yδL))表示在所述TiAlCN层δ的层厚方向上进行二等分的所述工具基体侧的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδL和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδL，
并且，在由组成式：(Ti(1-xδH)AlxδH)(CyδHN(1-yδH))表示在所述TiAlCN层δ的层厚方向上进行二等分的所述工具表面侧的区域的组成的情况下，Al在Ti与Al的总量中所占的平均含有比例xδH和C在C与N的总量中所占的平均含有比例yδH，满足：
xα≤xδH＜xδL≤xβ或xβ≤xδL＜xδH≤xα，及
0.000≤yδL≤0.010且0.000≤yδH≤0.010，
其中，xδL、yδL、xδH、yδH均为原子比，
b.在将所述TiAlCN层δ的平均层厚设为Lδ的情况下，满足0.1μm≤Lδ≤1.0μm。
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，
在所述表面包覆切削工具的前刀面具有所述硬质包覆层，并在后刀面的表面具有所述TiAlCN层β，所述硬质包覆层包括所述TiAlCN层α与所述TiAlCN层β的层叠结构。
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