表面包覆切削工具 |
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| 申请号 | CN201380012750.4 | 申请日 | 2013-03-05 | 公开(公告)号 | CN104169030B | 公开(公告)日 | 2017-03-08 |
| 申请人 | 三菱综合材料株式会社; | 发明人 | 仙北屋和明; 田中裕介; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的表面包覆切削工具在由 碳 化钨基硬质 合金 构成的工具基体的表面蒸 镀 形成有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其特征在于，(a)上述硬质包覆层由Al与Cr的复合氮化物层构成，Cr在Al与Cr的总量中所占的含有比例为0.2～0.5( 原子 比)，(b)在自上述表面包覆切削工具的上述工具基体的 后刀面 上的刀尖至在上述后刀面上从上述后刀面刀尖朝向相反侧相隔100μm的 位置 为止的区域上蒸镀形成的硬质包覆层具有粒状结晶组织，在上述区域上形成的上述硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.2～0.5μm，在上述区域中上述工具基体与上述硬质包覆层的界面处的粒状晶粒的平均粒径比上述硬质包覆层表面的上述粒状晶粒的平均粒径小0.02～0.1μm，并且，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20％以下。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，所述表面包覆切削工具的特征在于，(a)上述硬质包覆层由Al与Cr的复合氮化物层构成，Cr在Al与Cr的总量中所占的含有比例为0.2～0.5，其中，该含有比例为原子比， |
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| 说明书全文 | 表面包覆切削工具技术领域背景技术[0003] 通常，包覆工具有在各种钢和铸铁等工件的车削加工和平面铣削加工中装卸自如地安装于车刀的顶端部而使用的可转位刀片、用于上述工件的钻孔切削加工等的钻头、及用于上述工件的端面切削加工和槽加工、台阶加工等的整体式立铣刀等，并且已知有装卸自如地安装有上述可转位刀片并与上述整体式立铣刀同样地进行切削加工的可转位立铣刀工具等。 [0004] 例如，如专利文献1所示，作为包覆工具已知有在碳化钨(以下由WC表示)基硬质合金构成的基体(以下称为工具基体)的表面蒸镀形成Al与Cr的复合氮化物[以下由(Al，Cr)N表示]层构成的硬质包覆层而成的包覆工具，在这种以往的包覆工具中，构成硬质包覆层的上述(Al，Cr)N层具有优异的高温硬度、耐热性、高温强度、高温耐氧化性等，因此发挥优异的切削性能。 [0005] 而且，例如，如图1A及图1B所示，还已知能够通过如下方法制造上述以往的包覆工具：在作为物理蒸镀装置的一种的电弧离子镀装置中装入上述工具基体，以利用加热器将工具基体加热至500℃的温度的状态，在阳极电极与固定有规定组成的Al-Cr合金的阴极电极之间，在电流：90A的条件下产生电弧放电，同时在装置内导入作为反应气体的氮气来设为2Pa的反应气氛，另一方面，在上述工具基体上，在施加-100V的偏置电压的条件下，上述工具基体的表面蒸镀形成上述(Al，Cr)N层。 [0006] 然而，在包覆工具中，为了试图改善其切削性能尤其是耐崩刀性、耐磨性等，对硬质包覆层的组织结构提出了各种方案。 [0007] 例如，在专利文献2中，作为抑制前刀面处的包覆层的缺损来提高耐缺损性且提高后刀面处的耐磨性的包覆工具，记载有如下包覆工具(立铣刀)：由柱状晶体构成包覆层，前刀面处的包覆层厚比后刀面处的包覆层厚薄，且由包覆层表面侧的上层区域的平均晶体宽度大于包覆层基体侧的下层区域的平均晶体宽度的2个层区域构成，并且，上层区域的厚度相对于前刀面处的包覆层厚的比率小于上层区域的厚度相对于后刀面处的包覆层厚的比率，前刀面处的柱状晶体的平均晶体宽度小于后刀面处的柱状晶体的平均晶体宽度。 [0008] 并且，例如，在专利文献3中，作为具备兼顾耐磨性和韧性并且与基材的粘附性也优异的被膜的包覆工具，记载有如下包覆工具：在基材上形成的被膜包含第1被膜层，该第1被膜层包含微细组织区域和粗大组织区域，就该微细组织区域而言，构成该微细组织区域的化合物的平均晶体粒径为10～200nm，且占据从该第1被膜层的表面侧起至相对于该第1被膜层的整体厚度为50％以上厚度的范围而存在，并且，具有作为-4GPa以上-2GPa以下范围的应力的平均压缩应力，该第1被膜层在其厚度方向上具有应力分布，在该应力分布中具有两个以上的极大值或极小值，这些极大值或极小值具有位于厚度方向表面侧的被膜那么高的压缩应力。 [0010] 专利文献2：日本专利公开2008-296290号公报(A) [0011] 专利文献3：日本专利公开2011-67883号公报(A) [0012] 近几年切削装置的高性能化日益显著，另一方面，对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求非常强烈，随之，在进一步苛刻的切削条件下进行切削加工。 [0013] 在上述以往的包覆工具的现状如下：虽然能改善一定程度的耐崩刀性、耐缺损性、耐磨性，但当将其用于碳钢、合金钢等进一步苛刻的切削加工时，容易产生崩刀，或者磨损损失加大，以此为原因，在较短时间内达到使用寿命。 发明内容[0014] 因此，本发明人等为了提供在碳钢、合金钢等的切削加工中耐崩刀性以及耐磨性也优异且在长期使用中发挥优异的切削性能的包覆工具而对硬质包覆层的结晶组织结构进行了深入研究的结果，得到以下见解。 [0015] 以往，当制作包覆工具时，作为硬质包覆层的形成方法，通常采用CVD法、PVD法等，而且，例如，当通过作为PVD法的一种的电弧离子镀法(以下称为AIP法)进行由(Al，Cr)N构成的硬质包覆层的成膜时，如专利文献1所示，将工具基体装入装置内，并施加规定偏置电压，并且以将装置内加热至规定温度的状态下，在阳极电极与规定组成的Al-Cr合金靶之间产生电弧放电，同时在装置内导入作为反应气体的氮气，并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀，从而进行硬质包覆层的成膜(参考图1A及图1B)。 [0016] 当通过上述以往的AIP法进行由(Al，Cr)N构成的硬质包覆层的成膜时，本发明人等在工具基体与靶之间施加磁场，调查研究磁场对硬质包覆层的组织结构带来的影响。其结果，发现如下。通过AIP法在规定强度的磁场中进行硬质包覆层的成膜，由此能够对构成硬质包覆层的粒状晶粒的晶体粒径进行调整。并且，能够控制形成于硬质包覆层内的残余应力的值。另外，能够对在切削刃顶端的刀尖圆弧部形成的连续裂纹的裂纹占有率进行调整。而且，如此使具备硬质包覆层的晶体粒径、残余应力值及裂纹占有率最优化的由(Al，Cr)N构成的硬质包覆层的包覆工具在碳钢、合金钢等的切削加工中发挥优异的耐崩刀性、耐磨性。其结果，该包覆工具在长期使用中发挥优异的切削性能。 [0017] 该发明是鉴于上述见解而完成的，其具有以下方式。 [0018] (1)一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中， [0019] (a)上述硬质包覆层由Al与Cr的复合氮化物层构成，Cr在Al与Cr的总量中所占的含有比例为0.2～0.5(其中，该含有比例为原子比)， [0020] (b)自上述表面包覆切削工具的上述工具基体的后刀面上的刀尖至在上述后刀面上从上述后刀面刀尖朝向相反侧相隔100μm的位置为止的区域上蒸镀形成的硬质包覆层具有粒状结晶组织，且在上述区域上形成的上述硬质包覆层表面的粒状晶粒的平均粒径为0.2～0.5μm，并且，在上述区域中上述工具基体与上述硬质包覆层的界面处的粒状晶粒的平均粒径比上述硬质包覆层表面的上述粒状晶粒的平均粒径小0.02～0.1μm，并且，粒径为 0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20％以下。 [0021] (2)上述(1)所述的包覆工具，其中，上述硬质包覆层中的压缩残余应力为2.0～2.7GPa。 [0022] (3)上述(1)或(2)所述的包覆工具，其中，当将上述包覆工具的刀尖角度设为α度、将在该α度的角度范围内的切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中形成的连续裂纹的占有角度设为β度时，裂纹占有率β/α为0.3～1.0。 [0023] (4)上述(1)至(3)中任一项所述的表面包覆切削工具，其中，上述粒状结晶组织中所包含的晶粒的纵横尺寸比为1以上6以下。 [0024] (5)一种表面包覆切削工具的制造方法，所述表面包覆切削工具在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成有平均层厚为2～10μm的硬质包覆层，其中，所述制造方法具备：基体装入工序，在具备阳极电极、由Al-Cr合金构成的靶、及设置于上述靶的背面侧的磁力产生源的电弧离子镀装置内，装入由碳化钨基硬质合金构成的工具基体；及蒸镀工序，在上述工具基体上蒸镀形成由Al与Cr的复合氮化物层构成的硬质包覆层，上述蒸镀工序具有：气体导入工序，在上述电弧离子镀装置内导入氮气；施加工序，通过上述磁力产生源，在上述靶与上述工具基体之间施加磁场；放电工序，对上述工具基体施加偏置电压的同时，在上述靶与上述阳极电极之间产生电弧放电；及自转公转工序，使上述工具基体在上述电弧离子镀装置内自转及公转，当上述工具基体最靠近上述靶时，以上述工具基体的后刀面的一部分或全部与上述靶的上述工具基体侧的面成水平的方式支撑上述工具基体。 [0025] (6)上述(5)所述的表面包覆切削工具的制造方法，其中，上述磁场的积分磁力为140～400mT×mm。 [0026] 作为该发明的一方式的包覆工具(以下称为本发明的包覆工具)中，由规定组成的(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层在从刀尖至相隔100μm的位置为止的范围内由粒状结晶组织构成，而且，表面粒径为0.2～0.5μm且界面粒径比表面粒径小0.02～0.1μm，并且，在从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的范围内，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例为20％以下，硬质包覆层中的压缩残余应力为2.0～2.7GPa，刀尖的裂纹占有率β/α为0.3～1.0，因此在碳钢、合金钢等的切削加工中发挥优异的耐崩刀性、耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。附图说明 [0027] 图1A表示以往的AIP装置的概略说明图，表示其俯视图。 [0028] 图1B表示以往的AIP装置的概略说明图，表示其侧视图。 [0029] 图2A表示用于制作本发明的包覆工具的、AIP装置的概略说明图，表示其俯视图。 [0030] 图2B表示用于制作本发明的包覆工具的、AIP装置的概略说明图，表示其侧视图。 [0031] 图3A表示本发明的一方式的包覆工具的纵截面概略说明图。 [0032] 图3B表示本发明的一方式的包覆工具的纵截面概略说明图，是表示在从该后刀面刀尖至相隔100μm的位置为止的区域上蒸镀形成的硬质包覆层的表面粒径及界面粒径测定位置的图。 [0033] 图3C表示本发明的一方式的包覆工具的纵截面概略说明图，是表示基体后刀面与基体前刀面的虚拟延长线的交点、与后刀面上的刀尖之间的位置关系的图。 [0034] 图4A是说明本发明的包覆工具的刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β及裂纹占有率之间的关系的图，表示包含切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层的截面SEM照片(倍率：10000倍)。 [0035] 图4B是说明本发明的包覆工具的刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β及裂纹占有率之间的关系的图，表示图4A所示的截面SEM照片的示意图。 具体实施方式[0036] 参考附图对该发明的包覆工具的实施方式进行详细说明。 [0037] 图3A表示本发明的一方式的包覆工具的纵截面概略说明图。如图3A所示，在本申请发明的包覆工具13中，在基体14上形成有硬质包覆层15。在包覆工具13的后刀面21与前刀面22之间形成有切削刃部。 [0038] (a)硬质包覆层的类别、平均层厚： [0039] 本申请发明的包覆工具13的硬质包覆层15由Al与Cr的复合氮化物层((Al，Cr)N层)构成。 [0040] 上述(Al，Cr)N层中，Al成分提高高温硬度和耐热性，Cr成分提高高温强度，并且通过共同含有Cr与Al来提高高温耐氧化性，因此作为高温硬度、耐热性、高温强度及高温耐氧化性优异的硬质包覆层已是众所周知的。 [0041] 当Cr在与Al的总量中所占的含有比例(原子比，以下相同)小于0.2时，难以确保切削加工时的高温强度，另一方面，当Cr在与Al的总量中所占的含有比例(原子比)超过0.5，则Al的含有比例相对减少，招致高温硬度下降、耐热性下降。其结果，因偏磨的产生、热塑性变形的产生等而导致耐磨性劣化。根据以上内容，在本申请发明的包覆工具中的硬质包覆层15中，Cr在与Al的总量中所占的含有比例(原子比)设为0.2～0.5。更优选的Cr的含有比例为0.22～0.45。进一步优选的Cr的含有比例为0.25～0.42。 [0042] 并且，当由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层的平均层厚小于2μm时，无法经长期发挥优异的耐磨性，成为工具寿命缩短的原因。另一方面，若其平均层厚超过10μm，则刀尖部容易产生崩刀。根据以上内容，将本申请发明的包覆工具13中的硬质包覆层15的平均层厚设为2～10μm。更优选的硬质包覆层15的平均层厚为2.5～9。进一步优选的平均层厚为3～8。 [0043] (b)由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层的层结构： [0044] 在本申请发明的包覆工具13中，通过在后刀面21的特定区域进一步形成具有特殊性质的硬质包覆层来降低硬质包覆层中的压缩残余应力。 [0045] 上述后刀面特定区域是指自后刀面上的刀尖16至在后刀面上从后刀面刀尖16朝向相反侧相隔100μm的位置为止的区域17。在该区域17上形成的硬质包覆层20具有以下说明的特征。 [0046] 将上述由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层20作为粒状晶体而进行成膜。另外，将该硬质包覆层20的表面19上的晶粒的平均晶体粒径(以下仅称为“表面粒径”)设为0.2～0.5μm。另一方面，将工具基体14与硬质包覆层20的界面18处的硬质包覆层20的晶粒的平均晶体粒径(以下仅称为“界面粒径”)设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值而进行成膜。即，在该区域17上，硬质包覆层20的结晶组织结构以表面粒径和界面粒径分别成为不同的平均晶体粒径范围的方式形成。由此，以使在硬质包覆层中形成的压缩残余应力在规定数值范围内的方式进行成膜。 [0047] 在此，“工具基体与硬质包覆层的界面处的硬质包覆层的晶粒”是指在硬质包覆层内的从工具基体14与硬质包覆层20的界面起厚度0.5μm的硬质包覆层内部的区域形成的晶粒。并且，“硬质包覆层表面的晶粒”是指在从硬质包覆层20的表面起深度0.5μm的区域形成的晶粒。 [0048] 并且，在此“粒状晶体”是为了与“柱状晶体”区分而使用的术语，具体而言，是指其晶粒的纵横尺寸比为1以上6以下。纵横尺寸比是通过将长边设为分子、将短边设为分母来计算在晶粒截面上最长的直径(长边)和与其垂直的直径(短边)的长度之比。 [0049] 对于平均晶体粒径具体说明如下。 [0050] 若硬质包覆层表面19的晶粒的平均晶体粒径(表面粒径)小于0.2μm，则硬质包覆层中的压缩残余应力增大，因此在切削加工时容易产生崩刀。另一方面，若表面粒径超过0.5μm，则压缩残余应力减小，因此切削加工时的磨损量增大，在长期使用中无法发挥充分的耐磨性。根据以上内容，在本申请发明的包覆工具13中的硬质包覆层20中，将表面粒径规定为0.2～0.5μm。 [0051] 对于工具基体14与硬质包覆层20的界面18处的硬质包覆层20的晶粒的平均晶体粒径(界面粒径)，需设为比表面粒径仅小0.02～0.1μm的值。其技术性的原因在于，当界面粒径比表面粒径小的范围超过0.1μm时，表面粒径与界面粒径之差增大，从而各部分的压缩残余应力之差增大，导致膜整体脆化。因此，发生在切削时容易产生磨损和崩刀、且切削性能恶化的问题。 [0052] 另一方面，当界面粒径与表面粒径之差在0.02μm以内时，在表面与界面处压缩残余应力之差变相同，当进行切削时，无法赋予耐磨性的提高作用。 [0053] 另外，在本发明中，通过将界面粒径设为比表面粒径小0.02～0.1μm的值，使界面侧的压缩残余应力增大至膜整体不会脆化的程度，当长时间进行切削时，在膜表面磨损之后也赋予抑制界面侧磨损的作用。 [0054] 以下，参考图3B记述粒径的测定方法。从工具基体刀尖切出后刀面侧的截面，通过SEM对该截面进行观察。使用在从该硬质包覆层表面19起深度0.5μm的区域形成的各晶粒，与工具基体表面平行地画出直线，将晶界间的距离定义为粒径。另外，将与工具基体表面平行地画出直线的位置设为在各晶粒中成为最长晶体粒径的位置。在从后刀面上的刀尖16至相隔100μm的位置为止的区域17中测定晶体粒径，将其平均晶体粒径的平均值设为表面粒径。更具体而言，在后刀面上的刀尖16、及后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置这3个部位，测定在宽度10μm的范围内(在图3B中，在硬质包覆层20中以点线表示的区域)存在的晶体的平均晶体粒径，另外，将该3个部位的平均晶体粒径的平均值设为表面粒径。并且，在硬质包覆层内的从工具基体14与硬质包覆层20的界面18起厚度0.5μm的区域形成的各晶粒中也通过相同方法计算界面粒径。 [0055] 并且，在从后刀面处的刀尖16至相隔100μm的位置为止的区域17(具体测定的部位是后刀面上的刀尖、在后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置这3个部位)中，对于表面粒径及界面粒径中的任意一个，粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例需设为20％以下。这是因为，当形成有超过20％的粒径为0.15μm以下的微细晶粒时，硬质包覆层中的压缩残余应力增大，容易产生崩刀。 [0056] 在此，“粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例”是指测定多个晶粒的粒径时粒径为0.15μm以下的晶体粒径长度之和相对于该总测定晶体粒径长度之和的比例。 [0057] 并且，在本发明中，如图3A至图3C所示，将“刀尖”定义为“切削刃顶端的刀尖圆弧部的除呈圆锥形状的部分以外的、直线状切削刃的最靠近顶端的部分”。 [0058] 图3C表示本发明的一方式的包覆工具的纵截面概略说明图，是表示基体后刀面与基体前刀面的虚拟延长线的交点、与后刀面上的刀尖之间的位置关系的图。在图3C中仅示出基体，未示出硬质包覆层。 [0059] 如图3C所示，基体后刀面21与基体前刀面22的虚拟延长线的交点23、与后刀面上的刀尖16之间的距离L(μm)存在以下关系。 [0060] 就距离L、刀尖圆弧部的圆弧的半径r(μm)、及基体后刀面21与基体前刀面22的虚拟延长线所成的角度θ(度)而言，“L＝r/tan(0.5×θ)”的关系成立。 [0061] 在本发明中，在区域17上形成由上述(b)的层结构构成的(Al，Cr)N层作为硬质包覆层20，从而在硬质包覆层中能够生成2.0～2.7GPa的压缩残余应力。若压缩残余应力的值小于2.0GPa，则无法期待耐磨性的提高，另一方面，若该值超过2.7GPa，则容易产生崩刀，因此在本发明中，优选将硬质包覆层中的压缩残余应力值设为2.0～2.7GPa。 [0062] 另外，在本申请发明的包覆工具13中，如图4A及图4B所示，当将包覆工具的刀尖角度设为α度、将在该α度的角度范围内的硬质包覆层中形成的连续裂纹的占有角度设为β度时，优选将切削刃顶端的刀尖圆弧部的裂纹占有率β/α设为0.3～1.0，另外，更优选β/α为0.3～0.9。 [0063] 其原因如下。 [0064] 当使用电弧离子镀装置(AIP装置)在工具基体表面形成硬质包覆层时，层中积蓄压缩残余应力，尤其是晶体粒径较大的层，压缩残余应力集中在晶界，容易成为龟裂的起点。 [0065] 但是，根据本申请发明的包覆工具13，由于在切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中预先形成有裂纹C，因此降低残余应力的集中，尤其能够抑制由切削开始初期产生崩刀等引起的切削性能下降。 [0066] 其中，当β/α小于0.3时，无法期待压缩残余应力的集中抑制效果，因此将β/α规定为0.3以上。 [0067] 从压缩残余应力的集中抑制效果的观点考虑，无需对β/α的值设置上限(即，β/α为0.3～1.0)，但β/α的值越接近1.0，越容易产生硬质包覆层与工具基体界面处的界面剥离，因此，β/α的值优选为0.3～0.9。进一步优选的β/α的范围为0.4～0.85。 [0068] 在此，首先对本申请发明中的裂纹的定义进行说明。 [0069] 本申请发明中的裂纹是指在包含切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中形成的龟裂。该裂纹能够通过例如将包覆工具的截面SEM照片以例如10000倍的倍率观察来进行确认。本申请发明中的裂纹是指宽度为30nm以上的龟裂。裂纹的宽度在端部逐渐变细，将裂纹的宽度成为小于30nm的点规定为裂纹的端部。 [0070] 在此，本发明中，如下定义裂纹占有率。 [0071] 如图4A及图4B所示，当通过后刀面上的刀尖A的后刀面的垂线与通过前刀面上的刀尖B的前刀面的垂线的交点设为中心O时，将A-O-B所成的角度称为刀尖角度α(度)。 [0072] 并且，对于在切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中形成的连续裂纹，当从上述中心O画出与连续的一个裂纹的端部C、D连接的线时，将C-O-D所成的角度设为连续裂纹的占有角度β(度)。当在切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中存在多个裂纹时，使用表示最大占有角度的连续裂纹。 [0073] 而且，将(连续裂纹的占有角度β)/(刀尖角度α)的值定义为裂纹占有率。 [0074] 另外，本发明包覆工具中，将由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层的平均层厚规定为2～10μm、将Cr在Al与Cr的总量中所占的含有比例设为0.2～0.5(其中，该含有比例为原子比)、将粒状晶粒的表面粒径、界面粒径规定在特定数值范围内，并且，将从后刀面上的刀尖16至相隔100μm的位置为止的区域17中的粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例规定为20％以下，从而能够有效地制造出硬质包覆层中的压缩残余应力值为2.0～ 2.7GPa且刀尖的裂纹占有率β/α为0.3～1的包覆切削工具。 [0075] (c)硬质包覆层的蒸镀形成 [0076] 使用如图2A及图2B所示的电弧离子镀装置(AIP装置)，将工具基体的温度维持在370～450℃，同时在AIP装置内使工具基体自转及公转，并在靶表面中心与最靠近靶的工具基体之间施加规定磁场(积分磁力为140～400mT×mm)的同时进行蒸镀，从而能够形成该发明的硬质包覆层。 [0077] 例如，在AIP装置的一侧设置由基体清洗用的Ti电极构成的阴极电极，在另一侧设置由Al-Cr合金构成的靶(阴极电极)。该Al-Cr合金中的Al含量优选为55at％Al～78at％Al。Cr含量与上述Al含量对应地优选为22at％Cr～45at％Cr。例如，设置由70at％Al-30at％Cr合金构成的靶(阴极电极)。 [0078] 首先，清洗并干燥由碳化钨(WC)基硬质合金构成的工具基体，且安装于AIP装置内的转台上，并在真空中在基体清洗用的Ti电极与阳极电极之间产生100A的电弧放电而对工具基体施加-1000V的偏置电压，同时对工具基体表面进行轰击清洗。 [0079] 接着，施加从Al-Cr合金靶的表面中心至最靠近靶的工具基体为止的积分磁力成为140～400mT×mm的磁场。 [0080] 接着，在装置内导入作为反应气体的氮气。由此，装置内的气氛压力保持在9.0Pa～9.6Pa的范围内。例如，成为9.3Pa的气氛压力。另外，将工具基体的温度维持在370～450℃，并对工具基体施加-50V的偏置电压，同时在Al-Cr合金靶(阴极电极)与阳极电极之间产生100A的电弧放电。当工具基体最靠近靶时，以后刀面的一部分或全部与靶面成水平的方式支撑工具基体并使其自转公转的同时进行蒸镀，从而能够蒸镀形成本申请发明的包覆工具13所具有的硬质包覆层。 [0081] 另外，对于在上述Al-Cr合金靶与工具基体之间施加磁场，例如能够通过在阴极周边设置作为磁场产生源的电磁线圈或永久磁铁或者在AIP装置的内部、中心部配置永久磁铁等任意方法来形成磁场。 [0082] 其次，通过实施例对该发明的包覆工具进行具体说明。 [0083] 实施例1 [0084] 作为原料粉末，准备具有平均粒径：5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒径为0.8μm的微粒WC粉末、平均粒径为1.3μm的TaC粉末、平均粒径为1.2μm的NbC粉末、平均粒径为1.2μm的ZrC粉末、平均粒径为2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒径为1.5μm的VC粉末、平均粒径为1.0μm的(Ti，W)C[以质量比计为TiC/WC＝50/50]粉末及平均粒径为1.8μm的Co粉末。将这些原料粉末分别配合成表5所示的配合组成，进一步添加石蜡，并在丙酮中球磨混合24小时并进行减压干燥。其后，在100MPa的压力下挤压并冲压成型为规定形状的各种压坯，将所得到的压坯在6Pa的真空气氛中以7℃/分钟的升温速度升温至1370～1470℃范围内的规定温度。另外，在该温度下保持1小时之后，在炉冷条件下进行烧结，从而形成直径为10mm的工具基体形成用圆棒烧结体。另外，通过磨削加工，从上述圆棒烧结体以切刃部的直径×长度为6mm×13mm的尺寸分别制造出螺旋角为30度的具有双刃球形形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)1～3，并且以切削刃部的直径×长度为10mm×22mm的尺寸分别制造出具有双刃方形形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)4、5。 [0085] (a)在丙酮中分别对上述工具基体1～5进行超声波清洗，并以干燥的状态，在从图2A及图2B所示的AIP装置的转台上的中心轴沿半径方向相隔规定距离的位置上沿着外周部进行安装。而且，在AIP装置的一侧配置轰击清洗用的Ti阴极电极，在另一侧配置由70at％Al-30at％Cr合金构成的靶(阴极电极)。 [0086] (b)其次，对装置内进行排气而保持真空，同时利用加热器将工具基体加热至400℃之后，对在上述转台上自转的同时旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，并且，使100A的电流流过Ti阴极电极与阳极电极之间而产生电弧放电。通过上述步骤，对工具基体表面进行轰击清洗。 [0087] (c)接着，以从上述Al-Cr合金靶的表面中心至工具基体为止的积分磁力成为140～400mT×mm范围内的方式施加各种磁场。 [0088] (d)接着，在装置内导入作为反应气体的氮气而设为9.3Pa的反应气氛。进行上述步骤的同时，将在上述转台上自转的同时旋转的工具基体的温度维持在370～450℃范围内并施加-50V的直流偏置电压，并且，使100A的电流流过上述Al-Cr合金靶与阳极电极之间而产生电弧放电。通过上述步骤，在上述工具基体的表面蒸镀形成由表2所示的组成及目标平均层厚的(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层。 [0089] 经上述工序(a)至(d)，分别制造出作为本发明的包覆工具的表面包覆立铣刀1～7(以下称为本发明1～7)。 [0090] 另外，在图2A及图2B所示的AIP装置中，当工具基体最靠近Al-Cr合金靶时，以后刀面的一部分或全部与Al-Cr合金靶面成水平的方式进行安装支撑。 [0091] 比较例1： [0092] 以比较目的，改变上述实施例1中的(c)的条件(即，从Al-Cr合金靶的表面中心至工具基体为止的积分磁力小于140mT×mm，或者超过400mT×mm)，并且，改变(d)的条件(即，将工具基体维持在小于370℃，或超过450℃的温度)，其他方面在与实施例1相同的条件下，分别制造出作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀1～5(以下称为比较例1～5)。另外，由实施例1分别制造出Cr在包覆层中的Al与Cr的总量中所占的含有比例为0.2～0.5的范围外、包覆层的平均层厚为2～10μm的范围外的表面包覆立铣刀6～10。 [0093] 对于通过上述步骤制作的本发明1～7及比较例1～10，对其纵截面的硬质包覆层的晶粒形态进行观察，结果均由纵横尺寸比为1以上6以下的粒状结晶组织构成。就纵横尺寸比而言，通过将长边设为分子、将短边设为分母来计算在晶粒截面上最长的直径(长边)和与其垂直的直径(短边)的长度之比。 [0094] 另外，利用扫描型电子显微镜(SEM)测定该粒状晶体的晶体粒径，求出从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的区域中的表面粒径、界面粒径。具体而言，通过如下求出：在后刀面上的刀尖、在后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置这3个部位，求出在宽度10μm的范围内存在的晶体的平均粒径，并计算这3个部位位置的平均值。 [0095] 并且，同样地，在后刀面上的刀尖、在后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置上的界面及表面共6个部位进行测定，从而求出在从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的区域中粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例。 [0096] 在表2、表3中示出通过上述步骤测定、计算出的各自的值。 [0097] 另外，对于上述晶体粒径的测定法、粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例的测定法如下进行更具体说明。 [0098] 对包含包覆工具的切削刃顶端的刀尖圆弧部的后刀面的截面进行研磨加工之后，通过SEM图像对其截面进行观察。作为测定条件，使用观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。利用在从硬质包覆层表面起深度0.5μm的区域形成的各晶粒，与工具基体表面平行地画出直线，将晶界间的距离定义为粒径。另外，将与工具基体表面平行地画出直线的位置设为在各晶粒中成为最长的晶体粒径的位置。从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的区域，作为具体的测定点，在后刀面上的刀尖、在后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置这3个部位，测定在宽度10μm的范围内存在的晶体的晶体粒径，另外，将这3个部位的平均晶体粒径的平均值设为表面粒径。当测定宽度为10μm的粒径时，使用以各测定部位为中心刀尖侧5μm、与刀尖相反侧5μm的测定数据。其中，在后刀面上的刀尖部位，以从刀尖相隔5μm的位置为中心，在刀尖侧5μm、与刀尖相反侧5μm的宽度10μm的范围内进行测定。并且，对于硬质包覆层内的从工具基体与该硬质包覆层的界面起厚度0.5μm的区域形成的各晶粒，也通过相同的方法计算出界面粒径。 [0099] 并且，在粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例的测定方法中，使用已测定上述粒径的界面3个部位、及在表面3个部位测定的晶体粒径的总测定数据。将粒径为0.15μm以下的晶体粒径之和相对于测定出的总晶体粒径之和的比例设为粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例。 [0100] 另外，通过利用X射线衍射的2θ-sin2φ法，利用AlCrN(420)面的峰值来计算出硬质包覆层中的压缩残余应力值。 [0101] 在表2、表3中示出通过上述步骤测定出的压缩残余应力值。 [0102] 另外，测定本发明1～7及比较例1～10的刀尖角度α，并且测定切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中的连续裂纹的占有角度β，并计算出裂纹占有率β/α的值。 [0103] 在表2、表3中示出这些值。 [0104] 另外，对上述刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β的测定法进行如下更具体说明。 [0105] 在为了测定晶体粒径而观察的SEM图像中使用切削刃顶端部的截面SEM图像。测定条件使用观察倍率：10000倍、加速电压：3kV的条件。将本发明3的切削刃顶端部的截面SEM图像示于图4A，将示意图示于图4B。以下，利用图4B进行说明。在此，将后刀面上的刀尖设为A，将前刀面上的刀尖设为B。画出通过A的后刀面的垂线、通过B的前刀面的垂线，将两个垂线的交点设为中心O。将刀尖角度α(度)设为A-O-B所成的角度。 [0106] 并且，对于在切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中形成的连续裂纹，当从上述中心O投影该裂纹时，将最靠近通过A的后刀面的垂线的部位设为C，将最靠近通过B的前刀面的垂线的部位设为D。将连续裂纹的占有角度β(度)设为C-O-D所成的角度。另外，当在切削刃顶端的刀尖圆弧部的硬质包覆层中存在多个裂纹时，将基于表示最大值的连续裂纹计算出的值定义为连续裂纹的占有角度β。 [0107] 而且，将(连续裂纹的占有角度β)/(刀尖角度α)的值定义为裂纹占有率。 [0108] [表1] [0109] [0110] [表2] [0111] [0112] [表3] [0113] [0114] 其次，在上述本发明1～7及比较例1～10的立铣刀中，对于本发明1～3、6、7及比较例1～3、6～8，实施 [0115] 工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·S55C的板材、 [0116] 转速：16000min.-1、 [0117] 纵向切削深度：2.0mm、 [0118] 横向切削深度：0.3mm [0119] 进给速度(每1刃)：0.06mm/tooth、 [0120] 切削长度：340m [0121] 的条件(称为切削条件A)下的碳钢的槽切削加工试验，并且，对于本发明4、5及比较例4、5、9、10，实施 [0122] 工件-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·S55C的板材、 [0123] 转速：3200min.-1、 [0124] 纵向切削深度：10mm、 [0125] 横向切削深度：1mm [0126] 进给速度(每1刃)：0.07mm/tooth、 [0127] 切削长度：90m [0128] 的条件(称为切削条件B)下的碳钢的槽切削加工试验，并在所有槽切削加工试验中均测定切削刃的后刀面磨损宽度。 [0129] 将该测定结果示于表4。 [0130] [表4] [0131] [0132] (表中，比较例栏的(※)为因崩刀和磨损而达到使用寿命(后刀面磨损宽度0.2mm)为止的切削长度(m)) [0133] 实施例2 [0134] 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、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末、TaN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，利用球磨机湿式混合72小时，在干燥之后，在100MPa的压力下冲压成型为压坯。将所得到的压坯在6Pa的真空中，在以温度：1400℃保持1小时的条件下进行烧结，在烧结之后，对刀尖部分实施R：0.03的刃口修磨加工，还实施精磨，从而形成具有ISO标准·SNGA120408的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体6～10。 [0135] 接着，在丙酮中对这些工具基体(刀片)6～10的表面进行超声波清洗，并以干燥的状态，同样装入图2A及图2B所示的AIP装置中，在与上述实施例1相同的条件下形成由表6所示的组成及目标平均层厚的(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层，从而分别制造出作为本发明包覆工具的本发明表面包覆刀片(以下称为本发明8～14)。 [0136] 比较例2： [0137] 以比较目的，对于上述工具基体(刀片)6-10，在与上述比较例1相同的条件下形成由表7所示的组成及目标平均层厚的(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层，从而分别制造出作为比较例包覆工具的比较例表面包覆刀片(以下称为比较例11～20)。 [0138] 对于通过上述步骤制作出的本发明8～14及比较例11～20，利用扫描型电子显微镜(SEM)对其纵截面的硬质包覆层的晶粒形态进行观察，结果均由纵横尺寸比为1以上6以下的粒状结晶组织构成。 [0139] 并且，对于通过上述步骤制作出的本发明8～14及比较例11～20，也与本发明1～7、比较例1～10的情况同样地求出晶粒的表面粒径、界面粒径。 [0140] 并且，测定在从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的区域(即，后刀面上的刀尖、在后刀面上从刀尖相隔50μm的位置、及从刀尖相隔100μm的位置这3个部位)中的、粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例。 [0141] 另外，测定硬质包覆层中的压缩残余应力值。 [0142] 并且，对于刀尖角度α、连续裂纹的占有角度β、裂纹占有率β/α的值也进行测定、计算。 [0143] 在表6、表7中示出通过上述步骤测定、计算出的各自的值。 [0144] [表5] [0145] [0146] [表6] [0147] [0148] [表7] [0149] [0150] 其次，将上述本发明8～14、比较例11～20的包覆刀片均以通过固定夹具紧固于工具钢制车刀顶端部的状态，实施 [0151] 工件：JIS·SCM440的圆棒、 [0152] 切削速度：150m/min.、 [0153] 切削深度：1.5mm、 [0154] 进给量：0.3mm/rev.、 [0155] 切削时间：3分钟 [0156] 的条件(称为切削条件C)下的合金钢(铬钼钢)的干式连续切削加工试验，并测定切削刃的后刀面磨损宽度。 [0157] 将该测定结果示于表8。 [0158] [表8] [0159] [0160] (表中，比较例栏的(※)为因崩刀和磨损而达到使用寿命(后刀面磨损宽度0.2mm)为止的切削时间(分钟)) [0161] 由表4、8所示的结果明确可知，本发明包覆工具中，将由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层的粒状晶粒的表面粒径、界面粒径规定在特定数值范围内，并且，将从后刀面上的刀尖至相隔100μm的位置为止的区域中的粒径为0.15μm以下的晶粒所占的晶体粒径长度比例规定为20％以下，并且，将硬质包覆层中的压缩残余应力规定为2.0～2.7GPa，另外，将裂纹占有率规定为0.3～1.0，从而在碳钢、合金钢等的切削加工中发挥优异的耐崩刀性及优异的耐磨性。 [0162] 相对于此，硬质包覆层的结构脱离本发明中规定的范围的比较例包覆工具中，因崩刀的产生或耐磨性的下降而在较短时间内达到使用寿命。 [0163] 产业上的可利用性 [0164] 如上所述，本发明的包覆工具当在碳钢、合金钢等的切削加工中使用时经长期显示出优异的切削性能，因此能够十分满意地应对切削加工装置的FA化、切削加工的节省劳力化及节能化、以及低成本化。 [0165] 符号说明 [0166] 1-电弧离子镀装置，2-腔室，3-转台，4-硬质基体，5-加热器，6-阳极电极，7-阴极电极，8-磁力产生源，9-反应气体导入口，10-排气口，11-偏压电源，12-电弧电源，13-包覆切削工具，14-工具基体，15-硬质包覆层，16、A-后刀面刀尖，B-前刀面刀尖，17-从后刀面刀尖16至相隔100μm的位置为止的区域，18-区域17中的工具基体与硬质包覆层的界面，19-在区域17上形成的硬质包覆层表面，20-在区域17上形成的硬质包覆层，21A-基体后刀面，21B-包覆工具后刀面，22A-基体前刀面，22B-包覆工具前刀面，23-基体后刀面21与基体前刀面22的虚拟延长线的交点23，L-从交点23至后刀面刀尖16为止的距离(μm)，r-刀尖圆弧部的曲率半径(μm)，θ-基体后刀面21与基体前刀面22的延长线所成的角度(度)，α-包覆工具的刀尖角度(度)，β-在α度的角度范围内的硬质包覆层中形成的连续裂纹的占有角度(度)，O-中心，A-后刀面刀尖，B-前刀面刀尖，C、D-裂纹的端部，CR1-表示刀尖角度α内的最大角度β的裂纹，CR2、CR3-裂纹。 |
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