CN106660137A

CN106660137A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: CN106660137A
Application number: CN201580004243.5A
Authority: CN
Inventors: 今村晋也; 金冈秀明; 阿侬萨克·帕索斯; 出谷隆典
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: EP3311940A1; US20170191169A1; KR20180020853A; KR102107878B1; JPWO2017037797A1; JP5872748B1; EP3311940B1; WO2017037797A1; CN106660137B; US9834845B2; EP3311940A4

Abstract

根据本发明的表面被覆切削工具(10)中所包括的覆膜(12)具有包含多个α‑Al₂O₃晶粒的α‑Al₂O₃层。在平行于α‑Al₂O₃层的表面的加工面的15μm见方的彩色图中，粗晶粒A所占据的面积A₁为50％以下，并且面积A₁中具有(001)面取向的晶粒所占据的面积A₂为90％以上，α‑Al₂O₃中的中等尺寸晶粒B所占据的面积B₁为20％以上50％以下，并且面积B₁中具有(001)面取向的晶粒所占据的面积B₂为90％以上，α‑Al₂O₃中的微细晶粒C所占据的面积C₁为10％以上50％以下，并且面积C₁中具有(001)面取向的晶粒所占据的面积C₂为50％以上，并且相对于彩色图的总面积，面积A₁、面积B₁及面积C₁的总面积所占的比例为95％以上。

Description

表面被覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种表面被覆切削工具。

背景技术

传统上使用了在基材上形成有覆膜的表面被覆切削工具。例如，日本专利特开No.2004-284003(专利文献1)公开了“一种表面被覆切削工具，其具有包括α-Al₂O₃层的覆膜，当在平面视图中沿着该α-Al₂O₃层的表面的法线方向观察时，该层中示出(0001)面晶体取向的晶粒的总面积为70％以上”。

日本专利特开No.2010-207946(专利文献2)公开了一种表面被覆切削工具，其具有包括α-Al₂O₃层的覆膜，当在平面视图中沿着与该α-Al₂O₃层的表面的法线方向观察时，在表面处所观察到的晶粒具有特定的尺寸范围。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.2004-284003

专利文献2：日本专利特开No.2010-207946

发明内容

技术问题

在专利文献1和2中，通过包括具有如上构成的α-Al₂O₃层的覆膜，提高了表面被覆切削工具的机械性能(例如耐磨性和耐破损性)，并且由此可预期切削工具具有更长的使用寿命。

然而，在近年来的切削加工中，速度和效率提高，施加在切削工具上的载荷增加，并且切削工具的使用寿命不利地变短。因此，需要进一步提高切削工具上覆层的机械性能并延长切削工具的使用寿命。

基于这样的情况完成了本发明，本公开的目的在于提供这样一种表面被覆切削工具，其能提高覆膜的机械性能并且能够延长切削工具的使用寿命。

解决问题的方案

根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具为包括基材和在基材上形成的覆膜的表面被覆切削工具，该覆膜具有包含多个α-Al₂O₃的晶粒的α-Al₂O₃层。对于与所述α-Al₂O₃层的表面相平行的、通过将在深度方向上距离所述表面的长度为0.1μm以上0.5μm以下的区域中的所述α-Al₂O₃层去除而获得的加工面，当通过场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)对所述加工面进行电子束背散射衍射(EBSD)分析从而指定所述晶粒各自的晶体取向，并且基于所述晶体取向制作15μm见方的彩色图时，在所述彩色图中，粒径为1μm以上3μm以下的α-Al₂O₃的晶粒A所占据的面积A₁为50％以下，并且在所述面积A₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积A₂为90％以上；粒径为0.5μm以上且小于1μm的α-Al₂O₃的晶粒B所占据的面积B₁为20％以上50％以下，并且在所述面积B₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积B₂为90％以上；粒径为0.05μm以上且小于0.5μm的α-Al₂O₃的晶粒C所占据的面积C₁为10％以上50％以下，并且在所述面积C₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积C₂为50％以上；并且所述面积A₁、所述面积B₁和所述面积C₁的总面积占所述彩色图全部面积的比例为95％以上。

发明的有益效果

根据上述内容，可以提高覆膜的机械特性并且进一步延长切削工具的使用寿命。

附图简要说明

图1为示出了根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具的一个实例的透视图。

图2为沿图1中的直线II-II截取得到的截面图。

图3为图2的局部放大图。

图4示出了α-Al₂O₃层的加工面的彩色图的一个实例。

图5示出了彩色图，该彩色图仅示出了图4的彩色图中所示晶粒中的粗晶粒。

图6示出了彩色图，该彩色图仅示出了图4的彩色图中所示晶粒中的中等尺寸晶粒。

图7示出了彩色图，该彩色图仅示出了图4的彩色图中所示晶粒中的微细晶粒。

图8为示出了第二中间层在厚度上的形状的示意性截面图。

图9为示出了用于制造根据实施方案的覆膜的化学气相沉积装置的一个实例的示意性截面图。

具体实施方式

[本发明的实施方案的说明]

将首先列举并说明本发明的实施方案。关于本说明书中结晶学的描述，各平面以()表示。在此，描述“X至Y”表示一个范围的上限值和下限值(即，X以上Y以下)，并且当未指定X的单位而仅指定了Y的单位时，则X的单位与Y的单位相同。在此，对于未特别制定原子比的“TiN”或“TiCN”等化学式，这表示各元素的原子比并不仅局限于1，而是包括了所有常规已知的原子比。

[1]根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具为包括基材和在基材上形成的覆膜的表面被覆切削工具，所述覆膜包括包含多个α-Al₂O₃的晶粒的α-Al₂O₃层。对于与所述α-Al₂O₃层的表面相平行的、通过将在深度方向上距离所述表面的长度为0.1μm以上0.5μm以下的区域中的所述α-Al₂O₃层去除而获得的加工面，当通过场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)对所述加工面进行电子束背散射衍射(EBSD)分析从而指定所述晶粒各自的晶体取向，并且基于所述晶体取向制作15μm见方的彩色图时，在所述彩色图中，粒径为1μm以上3μm以下的α-Al₂O₃的晶粒A所占据的面积A₁为50％以下，并且在所述面积A₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积A₂为90％以上，粒径为0.5μm以上且小于1μm的α-Al₂O₃的晶粒B所占据的面积B₁为20％以上50％以下，并且在所述面积B₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积B₂为90％以上，粒径为0.05μm以上且小于0.5μm的α-Al₂O₃的晶粒C所占据的面积C₁为10％以上50％以下，并且在所述面积C₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积C₂为50％以上，并且所述面积A₁、所述面积B₁和所述面积C₁的总面积占所述彩色图全部面积的比例为95％以上。这样的α-Al₂O₃层能够具有高硬度。因此，根据[1]的表面被覆切削工具实现了优异的机械特性和更长的使用寿命。

[2]在所述表面被覆切削工具中，α-Al₂O₃层的厚度优选为1μm以上25μm以下。由此能够更为有效地展示出上述特性。

[3]在所述表面被覆切削工具中，α-Al₂O₃层的厚度优选为4μm以上15μm以下。由此能够更为有效地展示出上述特性。

[4]在所述表面被覆切削工具中，优选的是，覆膜包括位于基材和α-Al₂O₃层之间的第一中间层，并且该第一中间层为TiCN层。由于TiCN层具有高硬度，因此包括具有这种第一中间层的覆膜的表面被覆切削工具具有优异的耐磨性。

[5]在所述表面被覆切削工具中，优选的是，所述覆膜包括位于所述基材和所述α-Al₂O₃层之间的第二中间层，所述第二中间层为TiCNO层或TiBN层，并且所述第二中间层的最大厚度与最小厚度之差为0.3μm以上。由于这种第二中间层能表现出作为锚(anchor)的作用，从而实现了α-Al₂O₃层和第一中间层间的紧密接触，因此可以增强覆膜的抗剥离能力。因此，包括具有这种第二中间层的覆膜的表面被覆切削工具具有优异的耐破损性。

[6]在所述表面被覆切削工具中，优选的是，覆膜包括位于最外表面的表面层，该表面层为TiC层、TiN层或TiB₂层。由此提高了覆膜的韧性。

[本发明的实施方案的细节]

虽然下面将描述本发明的一个实施方案(以下也记为“本实施方案”)，但本发明实施方案不局限于此。“(001)面的法线方向相对于α-Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°以内的晶粒”以下也被称为“(001)面取向晶粒”。

[表面被覆切削工具]

参照图1，根据本实施方案的表面被覆切削工具10(以下，简单地表示为“工具10”)具有前刀面1、后刀面2、以及前刀面1与后刀面2彼此相交处的切削刃棱线部分3。即，前刀面1和后刀面2的表面彼此相连，并且切削刃棱线部分3夹在前刀面1和后刀面2之间。切削刃棱线部分3构成了工具10的切削刃尖端部。工具10的这种形状取决于以下将描述的基材的形状。

尽管图1示出代表了车削加工用替换型刀片的工具10，但是工具10不限于此，并且该工具可以适当地用作为以下切削工具，如钻头、端铣刀、钻头用替换型切削刀片、端铣刀用替换型切削刀片、铣削用替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀和丝锥。

当工具10为替换型刀片时，工具10可以具有断屑器或不具有断屑器，且切削刃棱线部分3可具有锐边(前刀面与后刀面彼此相交处的棱)、可以经过珩磨(具有R的锐边)、可以具有负刃带(negative land)(斜削的)，并且可以经过珩磨且具有负刃带。

参照图2，工具10具有基材11和形成在基材11上的覆膜12。尽管覆膜12优选覆盖工具10中的基材11的全部表面，但是基材11的一部分未被覆膜12覆盖或者覆膜12具有部分不同的构成也没有背离本实施方案的范围。

[基材]

参见图2，根据本实施方案的基材11具有前刀面11a、后刀面11b和前刀面11a与后刀面11b彼此相交处的切削刃棱线部分11c。前刀面11a、后刀面11b和切削刃棱线部分11c分别构成了工具10的前刀面1、后刀面2和切削刃棱线部分3。

可以采用任何常规已知的此类基材作为基材11。这类基材优选的例子为硬质合金(例如，WC系硬质合金，其不仅包含WC还包含Co，或者可以向其中添加Ti、Ta或Nb的碳氮化物)、金属陶瓷(主要由TiC、TiN或TiCN构成)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝)、立方氮化硼烧结体或金刚石烧结体。在这些不同的基材中，特别优选的是选择WC系硬质合金或金属陶瓷(特别是TiCN系金属陶瓷)。这是因为这些基材在高温下的硬度和强度的均衡性特别优异，并且作为针对上述用途的表面被覆切削工具的基材具有优异特性。

[覆膜]

根据本发明实施方案的覆膜12包括至少一层α-Al₂O₃层，将在下文中对α-Al₂O₃层进行详细描述。覆膜12可以包括其他层，只要覆膜12包括α-Al₂O₃层即可。对其他层的组成没有特别的限制，其例子可以包括TiC、TiN、TiB、TiBN、TiAlN、TiSiN、AlCrN、TiAlSiN、TiAlNO、AlCrSiCN、TiCN、TiCNO、TiSiC、CrSiN、AlTiSiCO或TiSiCN。对层叠的顺序也没有特别的限制。

根据本发明实施方案的这种覆膜12通过覆盖基材11，从而具有提高耐磨性和耐破损性等各种特性的功能。

覆膜12的厚度优选为3μm至35μm。当覆膜12的厚度为3μm以上时，可以抑制因覆膜12较小的厚度而导致工具的使用寿命缩短。当覆膜12的厚度为35μm以下时，可以提高切削初期阶段的耐破损性。

下面将参照图3描述覆膜12，该覆膜12代表了根据本发明实施方案的覆膜12的优选构成的一个实例，其中在该覆膜12中，在由基材侧向着覆膜12的表面侧的方向上，连续层叠有下层13、第一中间层14、第二中间层15和α-Al₂O₃层。

[α-Al₂O₃层]

本发明实施方案中的α-Al₂O₃层16是包含多个α-Al₂O₃(晶体结构为α型的氧化铝)的晶粒的层。即，该层由多晶α-Al₂O₃构成。通常情况下，这些晶粒的粒径为约0.01μm至3.5μm。

在基于由α-Al₂O₃构成的晶粒各自的晶体取向而制成的15μm见方的彩色图中，本发明实施方案中的α-Al₂O₃层16满足以下(1)至(7)，所述晶体取向是通过利用FE-SEM对如下加工面进行EBSD分析而指定的，其中所述加工面与α-Al₂O₃层16的表面相平行，并且通过将在深度方向上距离所述表面的长度为0.1μm以上0.5μm以下的区域中的α-Al₂O₃层去除而获得。

(1)粒径为1μm以上3μm以下的α-Al₂O₃的晶粒A所占据的面积A₁为50％以下。

(2)粒径为0.5μm以上且小于1μm的α-Al₂O₃的晶粒B所占据的面积B₁为20％以上50％以下。

(3)粒径为0.05μm以上且小于0.5μm的α-Al₂O₃的晶粒C所占据的面积C₁为10％以上50％以下。

(4)在面积A₁中，(001)面取向晶粒所占据的面积A₂为90％以上。

(5)在面积B₁中，(001)面取向晶粒所占据的面积B₂为90％以上。

(6)在面积C₁中，(001)面取向晶粒所占据的面积C₂为50％以上。

(7)面积A₁、面积B₁和面积C₁的总面积占彩色图全部面积的比例为95％以上。

现在将说明制作彩色图的具体方法。首先，基于以下将描述的制造方法形成α-Al₂O₃层16。然后，制作加工面，该加工面为与所形成的α-Al₂O₃层16的表面(与位于基材侧的表面相对的表面，该表面形成本发明实施方案中覆膜12的表面)相平行的表面，并且为通过将在深度方向上距离所述表面0.1μm至0.5μm的区域中的所述α-Al₂O₃层去除而获得的新表面。可以将α-Al₂O₃层16的任意位置设为加工位置，然而如下文所述，切削刃棱线部分附近的位置是优选的。

使用聚焦离子束的聚焦离子束(FIB)加工是制作加工面的合适方法的一个实例。FIB加工的条件如下所示。由此获得了平行于所述表面的测量面(加工面)，该测量面适合于利用FE-SEM进行EBSD分析。

加速电压：30kV

离子：镓(Ga)离子

加工面积：20μm×20μm

加工深度：0.1μm至0.5μm(所除去的α-Al₂O₃层的厚度)

照射角度：5°

照射时间：1小时

虽然制作加工面的方法不局限于FIB加工，然而，能够制造与通过FIB加工所制作的加工面相符的方法至少是优选的。当在α-Al₂O₃层16上形成有其他层时，例如，优选采用3000目的磨石通过磨削除去其他层，从而暴露出α-Al₂O₃层16，然后再进行FIB加工。

随后，通过装配有EBSD的FE-SEM(产品名：“SU6600”，Hitachi由High-Technologies Corporation制造)观察该加工面，并且对所得的观察图像进行EBSD分析。虽然对观察位置没有特别的限制，但考虑到与切削特性之间的关系，优选为切削刃棱线部分附近的部分。

在EBSD分析中，通过将聚焦电子束分别定位到每个像素从而连续地收集数据。使样品表面(α-Al₂O₃层的经过FIB加工的加工面)的法线相对于入射电子束倾斜70°，并在15kV下进行分析。为了避免带电效果，施加了10Pa的压力。根据60μm或120μm的开口径设置高电流模式。在截面上，对于相当于50×30μm平面区域的500×300个点，以0.1μm/步长逐步(stepwise)收集数据。

通过利用市售软件(商标名：“orientation Imaging microscopy Ver6.2”，由EDAX公司开发)对EBSD分析的结果进行分析，并且制作出彩色图。具体地，利用该软件计算各测量像素的(001)面的法线方法与α-Al₂O₃层16的表面(位于覆膜的表面侧的表面)的法线方向(即，通过FIB加工而制成的α-Al₂O₃层的加工面的法线方向)之间所形成的角度，并制作各角度具有不同颜色的彩色图。可以用该软件中所包括的“Crystal Direction MAP”的技术来制作彩色图。

可通过利用该彩色图对晶粒的各粒径进行分类，从而区分晶粒A、晶粒B和晶粒C。具体而言，首先，将彩色图中颜色一致(即，面取向一致)且被其他颜色(即，其他面取向)包围的区域视为各晶粒的单独区域。然后绘制各晶粒的最长虚拟对角线，将该对角线定义为各晶粒的粒径。接着，进行如下区分：将粒径为1μm以上3μm以下的晶粒定义为粗晶粒A；将粒径为0.5μm以上且小于1μm的晶粒定义为中等尺寸晶粒；将粒径为0.05μm以上且小于0.5μm的晶粒定义为微细晶粒。

基于彼此不同的晶粒A、晶粒B和晶粒C，可以求出彩色图中各类晶粒所占的面积、以及在各类晶粒所占据的面积中(001)面取向晶粒所占的面积。制作出15μm见方(15μm×15μm)的加工面的彩色图。

图4示出了上述α-Al₂O₃层的加工面的彩色图的一个例子。在图4中，实线所包围的阴影区域表示(001)面取向晶粒，实线所包围的空白区域表示除了(001)面取向晶粒之外的晶粒。即，在图4所示出的彩色图中，(001)面的法线方向相对于α-Al₂O₃层16的表面的法线方向的角度在10°以下的晶粒以阴影方式显示，并且(001)面的法线方向相对于α-Al₂O₃层16的表面的法线方向的角度超过10°的晶粒以空白方式显示。在图4中，未指定晶粒取向的区域以黑色显示。

在图5至7所示出的彩色图中，识别出了图4的彩色图中的晶粒A(粗晶粒)、晶粒B(中等尺寸晶粒)、晶粒C(微细晶粒)。即，图5中的彩色图仅示出了图4的彩色图中显示的晶粒中的晶粒A。图6中的彩色图仅示出了图4的彩色图中显示的晶粒中的晶粒B。图7中的彩色图仅示出了图4的彩色图中显示的晶粒中的晶粒C。特别地，在图7中，实线所包围的阴影区域表示晶粒C的(001)面取向晶粒，并且实线所包围的非阴影区域表示晶粒C的除了(001)面取向晶粒之外的晶粒。从图5和6中可以看到，在表现出该彩色图的α-Al₂O₃层16中，所有的晶粒A均为(001)面取向晶粒，并且所有的晶粒B均为(001)面取向晶粒。

相比于常规工具，包括满足(1)至(7)的α-Al₂O₃层16的工具10具有更好的机械特能和更长的使用寿命。

具体地，相比于常规实例，满足(1)至(3)以及(7)的α-Al₂O₃层的粗晶粒的比例更低。虽然相比于微细晶粒或中等尺寸晶粒，粗晶粒更容易从α-Al₂O₃层上脱落，但是相比于常规实例，根据本发明实施方案的α-Al₂O₃层16实现了对这种脱落的抑制，并且具有高的耐破损性。相比于常规实例，满足(4)至(6)的α-Al₂O₃层中各粗晶粒、中等尺寸晶粒和微细晶粒中(001)面取向晶粒所占的比例更高。因此，根据本发明实施方案的α-Al₂O₃层16的耐磨性优异。因此，由于根据本发明实施方案的α-Al₂O₃层16的耐磨性和耐破损性的这两种特性均是优异的，因而相比于常规实例，包括具有α-Al₂O₃层16的覆膜12的工具10实现了更好的机械特性和更长的使用寿命。

关于(1)，当面积A₁的比例超过50％时，α-Al₂O₃层16的耐磨性显著降低。面积A₁的比例优选为49％以下。虽然对面积A₁的比例的下限值没有特别的限制，但从耐破损性的角度出发，面积A₁的比例的下限值优选为10％以上，更优选为25％以上。

关于(2)，当面积B₁的比例超过50％时，可能会降低耐磨性。当面积B₁的比例低于20％时，可能会降低耐破损性。面积B₁的比例优选为25％至48％。

关于(3)，当面积C₁的比例超过50％时，可能会由于微细晶粒的比例过度增加而导致耐破损性降低。当面积C₁的比例低于10％时，可能会降低耐磨性。面积C₁的比例优选为15％至40％，更优选为15％至37％。

关于(4)，当面积A₂的比例小于90％时，α-Al₂O₃层16的硬度显著下降，这将导致耐磨性降低。面积A₂的比例优选为92％以上。对面积A₂的比例的上限没有特别限定，并且可以设定为100％。

关于(5)，当面积B₂的比例小于90％时，α-Al₂O₃层16的硬度显著下降，这将导致耐磨性降低。面积B₂的比例优选为92％以上。对面积B₂的比例的上限没有特别限定，并且可以设定为100％。

关于(6)，当面积C₂的比例小于50％时，α-Al₂O₃层16的硬度显著下降，这将导致耐磨性降低。面积C₂的比例优选为52％以上。对面积B₂的比例的上限没有特别限定，并且可以设定为100％。虽然此前一直非常难以增加面积C₂的比例，但是需要指出的是，下文中将描述的制造方法可以实现这样的增加。

关于(7)，相对于彩色图的总面积，面积A₁、面积B₁及面积C₁的总面积所占的比例低于95％时，在加工面中，会出现粒径超过3μm的特别粗的晶粒或粒径小于0.05μm的特别微细的晶粒，或者会出现晶粒缺失的部分。这样的α-Al₂O₃层16的耐磨性和耐破损性显著降低。

[α-Al₂O₃层的厚度]

本发明实施方案中α-Al₂O₃层16的厚度优选为3μm至25μm。由此可以展示出上述优异的效果。该厚度更优选为4μm至15μm，并且进一步优选为5μm至15μm。

当α-Al₂O₃层16的厚度小于3μm时，因α-Al₂O₃层16的存在而实现的耐磨性提高的程度倾向于较低。当该厚度超过25μm时，由于α-Al₂O₃层16和其他层之间的线性膨胀系数差异所导致的界面应力增加，从而α-Al₂O₃晶粒可能会脱落。通过采用扫描电子显微镜(SEM)观察基材11和覆膜12的垂直截面来确定该厚度。

[第一中间层]

回到图3，根据本发明实施方案覆膜12在基材11和α-Al₂O₃层16之间具有作为第一中间层14的TiCN层。由于TiCN层的耐磨性优异，因此可以进一步提高覆膜12的耐磨性。

[第二中间层]

参照图3，根据本发明实施方案的覆膜12在第一中间层14和α-Al₂O₃层16之间具有第二中间层15。如图8所示，第二中间层15优选由针状晶体形成。

针状晶体是指由于晶体的生长方向沿着一个方向延伸从而具有类似于针状的细长形状的晶体。如图8所示，由针状晶体形成的层的特征在于其厚度变化明显，并具有复杂的表面形状，因此对于其所接触的层可以显示出作为锚的效果。因此，借助于位于基材11和α-Al₂O₃层16之间的第二中间层15，α-Al₂O₃层16不易于从基材11上剥落下来，从而进一步提高了包括覆膜12的工具10的耐破损性。

第二中间层15优选为由TiCNO层或TiBN层形成，这是因为TiCNO和TiBN更可能形成针状晶体。第二中间层15的最大厚度d₁与最小厚度d₂之差优选为0.3μm以上。在这种情况下，可以有效地显示出上述特性。所述差优选为1.0μm以下。当所述差超过1.0μm时，第二中间层15的形状可能会不利地影响覆膜12的形状。可以通过配有EBSD的FE-SEM来确定所述差。

[下层]

参照图3，根据本发明实施方案的覆膜12具有与基材11相接触的下层13。通过采用(例如)TiN层作为下层13可以进一步提高基材11与覆膜12之间的密着性。

[其他层]

根据本发明实施方案的覆膜12可以具有位于α-Al₂O₃层16上的表面层。表面层可由TiC层、TiN层或TiB₂层形成。虽然α-Al₂O₃层16的(001)面具有高取向性，然而在α-Al₂O₃层16上形成的TiC层、TiN层和TiB₂层能够尤其有效地抑制断续切削时的裂纹传播。因此，包括具有这样的组成的表面层的覆膜12在提高韧性方面是有利的。其中，TiN层显示出明显的金色，因此容易识别出切削使用后的切削刃，这在成本效率方面是有利的。

[制造方法]

能够通过在基材11的表面上制作覆膜12从而制造根据上述本发明实施方案的工具10。可以通过使用图9中示出的化学气相沉积(CVD)装置并通过CVD方法来形成覆膜12。

参照图9，CVD装置30包括：多个用于保持基材11的基材固定夹具(setting jig)31；以及包裹基材固定夹具31的由耐热合金钢制成的反应容器32。在反应容器32的周围，设置有用于控制反应容器32内的温度的恒温器33。在反应器32中设有具有气体导入口34的气体导入管35。气体导入管35布置为在配置有基材固定夹具31的反应容器32的内部空间中沿垂直方向延伸，并且气体导入管35具有用于将气体喷入反应容器32中的多个喷射孔36。可通过使用该CVD装置30并通过如下方式形成各层。

首先，将基材11布置于基材固定夹具31上，并且在将反应容器32中的温度和压力控制在预定范围内的同时，将下层13用原料气体由气体导入管35导入反应容器32中。由此在基材11的表面上制作了下层13。类似地，通过将第一中间层14用原料气体和第二中间层15用原料气体相继导入反应容器32中，从而相继形成第一中间层14和第二中间层15。

例如，在TiN层的制造过程中，可使用TiCl₄和N₂作为原料气体。在TiCN层的制造过程中，可使用TiCl₄、N₂和CH₃CN。在TiCNO层的制造过程中，可使用TiCl₄、N₂、CO和CH₄。

在形成各层时，反应容器32中的温度优选控制在1000℃至1100℃，并且反应容器32中的压力优选控制为0.1hPa至1013hPa。HCl可以与原料气体一起导入。通过导入HCl，可以改善层厚度的均匀性。优选使用H₂作为载气。在导入气体时，优选借助于未示出的驱动部使气体导入管35旋转。由此可使各气体均匀分布在反应容器32中。

可以通过中温(MT)-CVD形成所述层中的至少一层。与在1000℃至1100℃的温度下进行的CVD(以下也称为“HT-CVD”)不同，MT-CVD是一种在反应容器32中的温度维持在850℃至950℃的相对温和的温度的情况下形成层的方法。由于相比于HT-CVD，MT-CVD在相对较低的温度下进行，因此可以减少由于加热所带来的对基材11的损伤。特别地，优选使用MT-CVD形成TiCN层。

然后，在第二中间层15上形成α-Al₂O₃层16。能够通过包括以下第一步骤和第二步骤的CVD来形成根据本发明实施方案的α-Al₂O₃层16。下面将依次描述各步骤。

首先，在第二中间层15上形成第一α-Al₂O₃层(第一步骤)。采用AlCl₃、N₂、CO₂和H₂S作为原料气体。在此，对于CO₂和H₂S的流速(升/分钟)，流速之间的比例设置为满足CO₂/H₂S≥2。由此形成第一α-Al₂O₃层。虽然没有特别地限制CO₂/H₂S的上限值，但从层厚度的均匀性的观点来看，优选上限值为5以下。本发明人已经证实，第一步骤中CO₂和H₂S的流速优选分别设定为0.4升/分钟至2.0升/分钟和0.1升/分钟至0.8升/分钟，更优选分别设定为1升/分钟和0.5升/分钟。

其次，在第一α-Al₂O₃层上形成第二α-Al₂O₃层(第二步骤)。采用AlCl₃、N₂、CO₂和H₂S作为原料气体。在此，对于CO₂气体和H₂S气体的流速(升/分钟)，流速之间的比例设置为满足0.5≤CO₂/H₂S≤1。

在第一步骤和第二步骤中，反应容器32中的温度优选控制为1000℃至1100℃，并且反应容器32中的压力优选控制为0.1hPa至100hPa。可以将HCl与上述原料气体一起导入，并且可以使用H₂作为载气。在气体导入时，与上述类似，优选旋转气体导入管35。

对于通过第一步骤和第二步骤形成的由第一α-Al₂O₃层和第二α-Al₂O₃层构成的α-Al₂O₃层，可从表面侧进行喷砂处理。虽然由CVD法形成的层一般倾向于具有拉伸残余应力，但在本步骤中可以赋予α-Al₂O₃层16的表面侧以压缩残余应力，从而可增强α-Al₂O₃层16的硬度。

当覆膜12具有在α-Al₂O₃层16上形成的表面层时，优选在表面层形成之后再进行喷砂处理，这是因为，为了在喷砂处理之后形成表面层，需要关闭CVD装置30并且需要将基材11从反应容器32中取出，这会使制造过程繁复。由于该表面层应当只保留在工具10的部分表面上，因此可在喷砂处理中将表面层部分去除。

通过上述制造方法，可以制造覆膜12，因此可以制造包括覆膜12的工具10。虽然通过这样的制造方法形成满足上述(1)至(7)的α-Al₂O₃层的原因尚不清楚，但本发明者推测如下：

在与α-Al₂O₃层组成不同的层(在本发明实施方案中，为第二中间层15)上形成α-Al₂O₃层时，倾向于难以使α-Al₂O₃晶粒的取向对齐。这是因为与α-Al₂O₃层组成不同的层之间的相容性会影响α-Al₂O₃晶粒的取向。因此，如果在第二中间层15上进行α-Al₂O₃层的形成时，(001)面取向晶粒很少时，那么将形成(001)面取向晶粒很少的α-Al₂O₃层。

与此相反，通过实施上述第一步骤和第二步骤，即使在第一步骤中形成的第一α-Al₂O₃层中存在很少的(001)面取向晶粒，也将不会如在常规实例中一样直接进行α-Al₂O₃层的形成(即，切换到第二步骤)。因此，能够阻止上述(001)面取向晶粒很少的α-Al₂O₃层的形成。特别地，由于第一步骤中在其他层上形成第一α-Al₂O₃层，并在随后的第二步骤中形成的第二α-Al₂O₃层并未受到上述相容性的影响，因此在与第二α-Al₂O₃层之间具有更好的相容性(相适性)的第一α-Al₂O₃层上形成第二α-Al₂O₃层是更有利的。因此，第二α-Al₂O₃层由此具有优异的(001)取向。

通过控制制造方法中的CVD的各项条件，从而改变各层的性质。例如，通过导入反应容器32中的原料气体的组成从而决定各层的组成，并且通过控制实施时间(成膜时间)从而控制各层的厚度。第二中间层优选由针状晶体制成，并且通过控制原料气体的流速和成膜温度可使晶体形状类似于针状。通过控制成膜时的压力，可以使针状晶体的长度变得不均一，从而可以产生如上所述的最大厚度d₁与最小厚度d₂之差。特别地，在α-Al₂O₃层16中，为了降低粗晶粒的比例或者增强(001)面取向，重要的是控制原料气体中CO₂气体和H₂S气体之间的流速比(CO₂/H₂S)。

实施例

虽然将参照实施例进一步详细说明本发明，但是本发明并不局限于此。样品No.1至12对应于实施例，样品No.13至17代表比较例。

[样品的制作]

首先说明样品No.1的制作。准备由TaC(2.0质量％)、NbC(1.0质量％)、Co(10.0质量％)和WC(余量)(并且含有不可避免的杂质)组成的硬质合金制刀片(形状：CNMG120408-UX，住友电气硬质合金株式会社制，JIS B4120(2013))作为基材。通过使用CVD装置，在所准备的基材上依次形成下层、第一中间层、第二中间层、Al₂O₃层及表面层，从而在基材的表面上制作了覆膜。用于形成各层的条件如下所示。在各种气体的组成后的括号中，示出了各种气体的流速(升/分钟)

(下层：TiN层)

气体：TiCl₄(5)、N₂(15)、H₂(45)

压力和温度：130hPa和900℃

(第一中间层：TiCN层)

气体：TiCl₄(10)、N₂(15)、CH₃CN(1.0)、H₂(80)

压力和温度：90hPa和860℃(MT-CVD)

(第二中间层：TiCNO层)

气体：TiCl₄(0.002)、CH₄(2.5)、N₂(6.0)、CO(0.5)、HCl(1.2)、H₂(40)

压力和温度：180hPa和1010℃

(α-Al₂O₃层)

(1)第一步骤中的CVD条件

气体：AlCl₃(2.5)、CO₂(1.3)、H₂S(0.4)、H₂(40)

压力和温度：80hPa和1000℃

(2)第二步骤中的CVD条件

气体：AlCl₃(3.0)、CO₂(1.2)、H₂S(1.4)、H₂(32)

压力和温度：80hPa和1000℃

(表面层：TiN层)

气体：TiCl₄(5)、N₂(15)、H₂(45)

压力和温度：130hPa和900℃

然后，对代表车削加工用替换型刀片的形成有覆膜的基材进行以下的喷砂处理。使刀片以100rpm旋转的同时，利用0.1MPa的压缩空气使平均粒径为50μm的氧化铝制小球沿着相对于切削刃棱线部分呈45°的方向均匀碰撞前刀面和后刀面达5秒。

如上所述制作了样品No.1的工具。通过在类似的基材上形成由下层、第一中间层、第二中间层、α-Al₂O₃层及表面层构成的覆膜，从而制作根据各样品No.2至17的各工具。在各样品中，通过改变用于形成第二中间层及表面层的原料气体，从而适当地改变第二中间层及表面层的组成。表1显示了在各个样品中形成覆膜的各层的组成及厚度。通过适当调节成膜时间来调整各层的厚度。

表1

对于第二中间层及α-Al₂O₃层，除了原料气体和成膜时间外，还适当改变了其他的条件。具体而言，如表2所示，改变了第二中间层的成膜压力。由此，如表2所示，各样品中由针状晶体形成的第二中间层的最大厚度与最小厚度之差是不同的。

表2

对于α-Al₂O₃层，如表3所示改变导入气体中的CO₂和H₂S之间的流速比(CO₂/H₂S)。对于样品No.1至12，导入用于第一步骤的气体30分钟，然后导入用于第二步骤的气体。对于试样No.13至17，未进行第一步骤，而仅进行了第二步骤。

然后，在基材表面上具有覆膜的工具的前刀面侧的切削刃棱线部分附近处，通过进行上述FIB加工，从而将在深度方向上距离α-Al₂O₃层表面0.2μm的区域中的α-Al₂O₃层去除。由此制作了加工面。通过使用装配有EBSD的FE-SEM来观察制作的加工面，从而制作尺寸为15μm×15μm的加工面的上述彩色图。然后，使用各彩色图，求得晶粒A、晶粒B及晶粒C各自所占的面积A₁，B₁及C₁，以及在上述各面积中(001)面取向晶粒的面积所占的比例A₂，B₂及C₂。结果如表3所示。由表3可知，在各彩色图中，相对于整个彩色图的面积，面积A₁、面积B₁及面积C₁的总面积的比例为100％。

表3

[评价1：耐破损性]

将各样品的刀片装载在型号为PCLNR2525-43的切削工具(住友电气工业株式会社制)上，并且评价其在对合金钢的反复车削中的耐破损性。

切削加工的条件如下所述。将每个样品的20个刀片用于车削20秒，计算全部20个刀片中发生损坏的刀片的比例(个数)作为损坏率(％)。结果如表4所示。表4中的损坏率(％)越低，表示耐破损性越好。

工件材料：SCM440(具有6个凹槽，φ350mm)

切削速度：120m/分钟

切削深度：2.0mm

切削油：未使用

[评价2：耐磨性]

将各样品的刀片装载在型号为PCLNR2525-43的切削工具(住友电气工业株式会社制)上，评价其在对合金钢的反复车削中的耐磨性。

车削条件如下。将每个样品的20个刀片用于车削15分钟，测量全部20个刀片的后刀面侧的磨损量Vb(mm)，并计算出各样品的平均值。结果如表4所示。表4中的Vb(mm)值越小，表示耐磨性越好。

工件材料：SCr420H(φ250mm)

切削速度：280m/分钟

切削深度：2.0mm

进给速度：0.2mm/转

切削油：水溶性油

表4

参照表4，与样品No.13至17相比，在样品No.1至12中确认了更高的耐破损性和更高的耐磨性。样品No.1至12满足(1)至(7)，而样品No.13至17不满足这些条件。从这些结果可以确认，代表本发明实施方案的一个实例的样品No.1至12的刀片具有高耐破损性和高耐磨性，因此机械特性优异并具有稳定的长使用寿命。

在样品No.13、15和17中，虽然在形成α-Al₂O₃层16时通过控制原料气体的流速可以降低粗晶粒的比例，但并不能增强(001)面取向。

应当理解的是，本文所公开的实施方案在每个方面都是示例性而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的权项、而不是上文的实施方案来限定，并且旨在包括与权利要求书的权项等同的范围和含义内的任何修改。

符号的说明

1前刀面；2后刀面；3切削刃棱线部分；10表面被覆切削工具；11基材；11a前刀面；11b后刀面；11c切削刃棱线部分；12覆膜；13下层；14第一中间层；15第二中间层；16α-Al₂O₃层；30CVD装置；31基材固定夹具；32反应容器；33恒温器；34气体导入口；35气体导入管；36贯通孔；P₁第一区域；P₂第二区域；以及P₃中间点。

Claims

1.一种表面被覆切削工具，包括：

基材；以及

在所述基材上形成的覆膜，

所述覆膜包括包含多个α-Al₂O₃的晶粒的α-Al₂O₃层，

对于与所述α-Al₂O₃层的表面相平行的、通过将在深度方向上距离所述表面的长度为0.1μm以上0.5μm以下的区域中的所述α-Al₂O₃层去除而获得的加工面，当通过场发射型扫描电子显微镜对所述加工面进行电子束背散射衍射分析从而指定所述晶粒各自的晶体取向，并且基于所述晶体取向制作15μm见方的彩色图时，

在所述彩色图中，

粒径为1μm以上3μm以下的α-Al₂O₃的晶粒A所占据的面积A₁为50％以下，并且在所述面积A₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积A₂为90％以上，

粒径为0.5μm以上且小于1μm的α-Al₂O₃的晶粒B所占据的面积B₁为20％以上50％以下，并且在所述面积B₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积B₂为90％以上，

粒径为0.05μm以上且小于0.5μm的α-Al₂O₃的晶粒C所占据的面积C₁为10％以上50％以下，并且在所述面积C₁中，(001)面的法线方向相对于所述加工面的法线方向在±10°以内的晶粒所占据的面积C₂为50％以上，并且

所述面积A₁、所述面积B₁和所述面积C₁的总面积占所述彩色图全部面积的比例为95％以上。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中

所述α-Al₂O₃层的厚度为1μm以上25μm以下。

3.根据权利要求2所述的表面被覆切削工具，其中

所述α-Al₂O₃层的厚度为4μm以上15μm以下。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于所述基材和所述α-Al₂O₃层之间的第一中间层，并且

所述第一中间层为TiCN层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于所述基材和所述α-Al₂O₃层之间的第二中间层，

所述第二中间层为TiCNO层或TiBN层，并且

所述第二中间层的最大厚度与最小厚度之差为0.3μm以上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于最外表面的表面层，并且

所述表面层为TiC层、TiN层或TiB₂层。