CN107848040B - 表面被覆切削工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

表面被覆切削工具具有基材和形成在所述基材的表面上的覆膜。该覆膜包括第一交替层和形成在所述第一交替层上的第二交替层。该第一交替层包括第一层和第二层，该第二交替层包括第三层和第四层。一个或多个所述第一层和一个或多个所述第二层交替层叠，一个或多个所述第三层和一个或多个所述第四层交替层叠。所述第一层由Al_aCr_bM1_1‑a‑b的氮化物或碳氮化物组成，所述第二层由Al_cTi_dM2_1‑c‑d的氮化物或碳氮化物组成，所述第三层由Al_eTi_fM3_1‑e‑f的氮化物或碳氮化物组成，以及所述第四层由Al_gTi_hM4_1‑g‑h的氮化物或碳氮化物组成。M1、M2、M3和M4是选自由Si、B、以及元素周期表中的除了Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素和第6族元素构成的组中的一种或多种元素。

Description

表面被覆切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及表面被覆切削工具以及表面被覆切削工具的制造方法。本申请要求基于2016年3月28日提交的日本专利申请No. 2016-063935的优先权。日本专利申请No.2016-063935的全部内容通过引用而并入本文中。

背景技术

切削工具的最新趋势如下：鉴于全球环境保护，需要不使用切削液的干式工艺；使用各种类型的工件；为了进一步提高加工效率，切削速度变得更快；等等。由于这种趋势，工具刃温度趋向于越来越高。这导致工具寿命缩短，因此导致更高的成本负担，结果是工具材料所需的特性变得越来越严苛。

日本专利特开No.07-310174(专利文献1)公开了一个实例，其中对于切削工具或耐磨工具，使硬质基材(如WC基硬质合金、金属陶瓷或高速钢)的表面被作为硬质覆层的AlTiSi基膜覆盖，以提高耐磨性和表面保护功能。AlTiSi基膜的实例包括Al_xTi_1-x-ySi_yC_zN_1-z(其中0.05≤x≤0.75、0.01≤y≤0.1、0.6≤z≤1)。

日本专利特开No.2005-305576(专利文献2)公开了一种切削工具，其中在基材的表面上形成耐磨覆膜以及在该耐磨覆膜的表面上形成耐崩裂覆膜。耐磨覆膜主要由Ti_{1- x}Al_x(其中0.2≤x≤0.7)的碳化物或碳氮化物组成。耐崩裂覆膜主要由Al_1-a-bCr_aV_b(其中0.2≤a ≤0.4、0≤b≤0.4、a+b≤0.4)的氮化物或碳氮化物组成。根据该切削工具，抑制了在切削的早期阶段切削刃的崩裂或出现缺陷，即，抑制了基材的露出，从而延长了工具寿命。

WO 2006/070730(专利文献3)中公开的切削工具旨在提高耐磨性和耐崩裂性，并且包括作为覆层的交替层。在该交替层中，一个或多个A层和一个或多个B层交替层叠。每个A层具有与每个B层不同的特征(例如残余应力和硬度)。因此，据推测可以提高整个覆层的耐磨性和韧性。

引用列表

专利文献

PTD 1：日本专利公开No.07-310174

PTD2：日本专利公开No.2005-305576

PTD 3：WO 2006/070730

发明内容

根据本发明的实施方案的表面被覆切削工具包括：基材和形成在所述基材的表面上的覆膜，所述覆膜包括第一交替层和形成在所述第一交替层上的第二交替层，所述第一交替层包括第一层和第二层，所述第二交替层包括第三层和第四层，一个或多个所述第一层和一个或多个所述第二层交替层叠，一个或多个所述第三层和一个或多个所述第四层交替层叠，所述一个或多个所述第一层中的每一层由 Al_aCr_bM1_1-a-b的氮化物或碳氮化物组成，所述第一层中金属原子各自的原子比满足0.5≤a≤0.9、0<b≤0.4以及0≤1-a-b≤0.1，所述一个或多个所述第二层中的每一层由Al_cTi_dM2_1-c-d的氮化物或碳氮化物组成，所述第二层中金属原子各自的原子比满足0.35≤c≤0.7、0.3 ≤d≤0.7以及0≤1-c-d≤0.1，所述一个或多个所述第三层中的每一层由Al_eTi_fM3_1-e-f的氮化物或碳氮化物组成，所述第三层中金属原子各自的原子比满足0.35≤e≤0.7、0.3≤f≤0.7以及0≤1-e-f≤0.1，所述一个或多个所述第四层中的每一层由Al_gTi_hM4_1-g-h的氮化物或碳氮化物组成，所述第四层中金属原子各自的原子比满足0.35≤g≤0.7、0.3≤h≤0.7以及0≤1-g-h≤0.1，所述第三层中的Al的原子比e和所述第四层中的Al的原子比g满足0.05≤|g-e|≤0.2，所述第三层中的Ti的原子比f和所述第四层中的Ti的原子比h满足0.05≤|h-f|≤0.2， M1、M2、M3和M4中的每一个是选自由元素周期表中的除了Cr和 Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。

根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具的制造方法包括：准备所述基材；通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第一层和所述一个或多个所述第二层，从而形成所述第一交替层；以及通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第三层和所述一个或多个所述第四层，从而在所述第一交替层上形成所述第二交替层。

附图说明

图1是示意性地示出了本实施方案的表面被覆切削工具的截面的说明性截面图。

图2是通过显微镜拍摄的本实施方案中的覆膜的下层(第一交替层)的照片图。

图3A是通过显微镜拍摄的本实施方案中的覆膜的上层(第二交替层)的照片图。

图3B是图3A的放大的照片图。

图4A是通过显微镜拍摄的本实施方案中的覆膜的密着层的照片图。

图4B是图4A的放大的照片图。

图5是以截面方式示意性地示出根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法中所使用的成膜装置的说明图。

图6是以平面视图的方式示意性地出根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法中所使用的成膜装置的说明图。

具体实施方案

[本发明要解决的问题]

当将专利文献1中描述的硬质覆层用于切削工具时，该切削工具具有高硬度和优异的耐氧化性；然而，不利的是，该切削工具脆且有可能崩裂。

当使用专利文献2中描述的切削工具来切削可能使切削工具的切削刃发生溶接的材料(如不锈钢)时，由于耐崩裂覆膜和耐磨覆膜之间的密着性不足，会导致在切削的早期阶段覆膜发生剥离。因此，在抑制覆膜崩裂方面存在改善空间。

专利文献3中描述的切削工具易于在其切削刃处发生溶接。因此，当加工可能引起切削刃的溶接和覆层的剥离的难切削材料时，覆层在加工的早期阶段与工件发生反应，从而在A层和B层之间产生裂纹。因此，A层和B层彼此剥离，结果是切削工具趋向于具有较短的寿命。因此，存在改进空间。

本发明是鉴于上述情况而做出的，并且目的在于提供一种表现出优异的耐崩裂性和耐磨性的表面被覆切削工具，以及这种表面被覆切削工具的制造方法。

[本发明的有益效果]

根据上述说明，可以呈现优异的耐崩裂性和耐磨性。

[本发明的实施方案的说明]

首先，对本发明的实施方案进行列举并加以说明。

[1]根据本发明的实施方案的表面被覆切削工具包括：基材和形成在所述基材的表面上的覆膜，所述覆膜包括第一交替层和形成在所述第一交替层上的第二交替层，所述第一交替层包括第一层和第二层，所述第二交替层包括第三层和第四层，一个或多个所述第一层和一个或多个所述第二层交替层叠，一个或多个所述第三层和一个或多个所述第四层交替层叠，所述一个或多个所述第一层中的每一层由 Al_aCr_bM1_1-a-b的氮化物或碳氮化物组成，所述第一层中金属原子各自的原子比满足0.5≤a≤0.9、0<b≤0.4以及0≤1-a-b≤0.1，所述一个或多个所述第二层中的每一层由Al_cTi_dM2_1-c-d的氮化物或碳氮化物组成，所述第二层中金属原子各自的原子比满足0.35≤c≤0.7、0.3 ≤d≤0.7以及0≤1-c-d≤0.1，所述一个或多个所述第三层中的每一层由Al_eTi_fM3_1-e-f的氮化物或碳氮化物组成，所述第三层中金属原子各自的原子比满足0.35≤e≤0.7、0.3≤f≤0.7以及0≤1-e-f≤0.1，所述一个或多个所述第四层中的每一层由Al_gTi_hM4_1-g-h的氮化物或碳氮化物组成，所述第四层中金属原子各自的原子比满足0.35≤g≤0.7、 0.3≤h≤0.7以及0≤1-g-h≤0.1，所述第三层中的Al的原子比e和所述第四层中的Al的原子比g满足0.05≤|g-e|≤0.2，所述第三层中的 Ti的原子比f和所述第四层中的Ti的原子比h满足0.05≤|h-f|≤0.2， M1、M2、M3和M4中的每一个是选自由元素周期表中的除了Cr和 Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。这样构成的表面被覆切削工具可以呈现出优异的耐崩裂性和耐磨性，因此可以承受严苛的切削条件，并且可以实现优异的切削刃质量。

[2]所述第二层中的Al的原子比c、所述第三层中的Al的原子比e和所述第四层中的Al的原子比g满足e≤c≤g，并且所述第二层中的Ti的原子比d、所述第三层中的Ti的原子比f以及所述第四层中的Ti的原子比h满足h≤d≤f。因此，可以呈现更优异的耐崩裂性和耐磨性。

[3]所述第一交替层的最上层是所述第二层。因此，可以提高覆膜的密着性。

[4]所述第一交替层的最下层是所述第一层或所述第二层。因此，可以更好地抑制覆膜的剥离。

[5]所述第一层的厚度λ1和所述第二层的厚度λ2各自为0.005 μm以上2μm以下，并且所述第一层的厚度与所述第二层的厚度之比λ1/λ2满足1≤λ1/λ2≤5。因此，可以提高覆膜的耐氧化性，并且覆膜可以具有高的硬度。

[6]所述第三层的厚度λ3和所述第四层的厚度λ4各自为0.005 μm以上2μm以下，并且所述第三层的厚度与所述第四层的厚度之比λ3/λ4满足1≤λ3/λ4≤5。因此，可以更好地抑制覆膜中的裂纹的发展。

[7]所述覆膜的整个厚度为0.5μm以上15μm以下。因此，覆膜的耐崩裂性优异，因此延长了工具寿命。

[8]所述覆膜包括位于相对于所述第一交替层的所述基材侧的密着层，所述密着层的厚度为0.5nm以上20nm以下，所述密着层是包含第一元素、第二元素和选自由所述基材的元素构成的组中的一种或多种元素的碳化物、氮化物或碳氮化物，所述第一元素是选自由元素周期表中的除了Cr、Ti、Zr和Nb之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Al、Si和B构成的组中的一种或多种元素，所述第二元素是选自由Cr、Ti、Zr和Nb构成的组中的一种或多种元素，并且选自由所述基材的元素构成的组中的所述一种或多种元素至少包括W，并且所述W扩散在所述密着层中。因此，可以提高覆膜与基材之间的密着性。

[9]所述基材包括含有WC的硬质颗粒和用于结合所述硬质颗粒的结合相，所述结合相包含Co，所述密着层是包含W、Cr、Ti、 Al和M5的碳化物、氮化物或碳氮化物，并且所述M5是选自由元素周期表中的除了W、Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6 族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。因此，可以进一步提高覆膜与基材之间的密着性。

[10]所述第一交替层和所述第二交替层各自具有立方晶体结构。因此，可以提高覆膜的硬度。

[11]制造根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具的方法包括：准备所述基材；通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第一层和所述一个或多个所述第二层，从而形成所述第一交替层；以及通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第三层和所述一个或多个所述第四层，从而在所述第一交替层上形成所述第二交替层。因此，可以制造出呈现优异的耐崩裂性和耐磨性的表面被覆切削工具。

[12]所述物理气相沉积是选自由阴极电弧离子镀法、平衡磁控溅射法和不平衡磁控溅射法构成的组中的至少一种。因此，可以以良好的产率制造具有上述性能的表面被覆切削工具。

[本发明的实施方案的细节]

以下更详细地描述本发明的实施方案(以下称为“本实施方案”)。将参考附图对下述实施方案进行描述，并且附图中相同的参考字符表示相同或相应的部分。

这里，在本说明书中，表述“X至Y”表示上限至下限的范围(即， X以上Y以下)。当没有指出X的单位并且仅指出Y的单位时，X 的单位与Y的单位相同。此外，当本说明书通过化学式来表示化合物并且对原子比没有特别限制时，认为包括所有常规已知的原子比。原子比并不一定仅限于化学计量范围内的一个原子比。例如，当描述“TiAlN”时，TiAlN中的原子比并不限于Ti：Al：N＝0.5：0.5：1，而是包括所有常规已知的原子比。同样也适用于“TiAlN”以外的化合物。在本实施方案中，金属元素和非金属元素并不一定需要构成化学计量组成。金属元素的实例包括钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)或铬(Cr)。非金属元素的实例包括氮(N)、氧(O)和碳(C)。

<表面被覆切削工具>

例如，如图1所示，根据本实施方案的表面被覆切削工具包括基材12和形成在基材12的表面上的覆膜11。由于表面被覆切削工具1包括下述构造，所以表面被覆切削工具1具有优异的耐崩裂性和耐磨性，可承受严苛的切削条件，并且可以实现优异的切削刃质量。

因此，根据本实施方案的表面被覆切削工具非常适合用作钻头、端铣刀、钻头用可转位切削刀片、端铣刀用可转位切削刀片、铣削用可转位切削刀片、车削用可转位切削刀片、金属锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥，曲柄轴铣削用刀片等。

<基材>

对于基材，可以使用任何常规已知类型的基材。例如，基材优选为以下中的一者：硬质合金(例如，包括WC(碳化钨)基硬质合金)、包含WC和Co的硬质合金、以及包含WC和Co、并且还包含Ti(钛)、Ta(钽)、Nb(铌)等的碳氮化物的硬质合金)；金属陶瓷(主要由碳化钛、氮化钛、碳氮化钛等构成)；高速钢；陶瓷 (碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)；立方氮化硼烧结材料；和金刚石烧结材料。当使用WC基硬质合金作为基材时，WC 基硬质合金的结构中可包含游离碳和称为“η相”的异常层中的一者或两者。

在这些各种类型的基材中，优选硬质合金，特别是WC基硬质合金，或选择金属陶瓷(特别是碳氮化钛基金属陶瓷)。这些基材中的每一种尤其在高温下非常出色地实现了硬度和强度之间的均衡，并且具有作为用于上述应用的表面被覆切削工具的基材的优异特性。特别是，当选择WC基硬质合金时，更优选地是：基材包含含有WC 的硬质颗粒，并且包含用于结合该硬质颗粒的结合相；并且结合相包含Co。

此外，当表面被覆切削工具包括下述密着层并且选择WC基硬质合金作为基材时，考虑到基材和覆膜之间的密着性，更优选的是 WC占据与密着层接触的面积的80％以上。这些基材中的每一种可以具有改性表面。例如，表面中形成有无β层的硬质合金不脱离本发明的范围。

应当注意，当切削工具是可转位切削刀片等时，基材可以包括或可以不包括断屑器。刃棱线的形状包括锐边(前刀面和侧面相遇的棱)、珩磨边缘(被加工成圆形的锐边)、负刃带(negative land) (斜削的)、以及珩磨边缘与负刃带的组合等中的任一者。

<覆膜>

如图1所示，覆膜包括第一交替层112和形成在第一交替层112 上的第二交替层113。该第一交替层112包括第一层和第二层。第二交替层113包括第三层和第四层。一个或多个第一层和一个或多个第二层交替层叠。一个或多个第三层和一个或多个第四层交替层叠。第一交替层112是由两层或更多层构成的多层膜，以特别提供耐磨性，并且在本说明书中第一交替层112可以称为“耐磨层”。此外，由于第二交替层113形成在第一交替层112上，所以在本说明书中，第一交替层112可以被称为“下层”。

第二交替层113是由两层或更多层构成的多层膜，以特别提供耐崩裂性，并且在本说明书中第二交替层113可以被称为“耐崩裂层”。此外，由于第二交替层113形成在第一交替层112上，所以在本说明书中，第二交替层113可以被称为“上层”。

在本实施方案中，覆膜11覆盖基材12。覆膜11优选覆盖基材的整个表面；然而，即使当基材12不被覆膜11部分地覆盖时，或者即使当覆膜11的层的各层结构部分不同时，这些构造也不会脱离本发明的范围。

除了第一交替层、第二交替层和下述密着层之外，覆膜还可以包括其他层。例如，覆膜可以包括底层，该底层作为形成为面向基材的层。此外，覆膜也可以包括表面保护层，该表面保护层作为保护表面的层。底层的实例可以包括包含覆膜的元素的固溶层。包括固溶层会使覆膜具有更可靠的均匀性。应当注意，这些层可以通过公知的形成方法来形成。

底层的其他实例包括TiCNO层、TiBN层、TiC层、TiN层、TiAlN 层、TiSiN层、AlCrN层、TiAlSiN层、TiAlNO层、AlCrSiCN层、 TiCN层、TiSiC层、CrSiN层、AlTiSiCO层、TiSiCN层等。表面保护层的实例包括α-Al₂O₃层和κ-Al₂O₃层。

在本实施方案中，在涂膜中层叠了耐磨性优异的层和耐崩裂性优异的层，由此在保持各个层固有的适合的特性的同时，消除了各层的缺点(如脆性)。此外，所述耐磨性优异的层和耐崩裂性优异的层均是多层，其中与这两种层均由单层构成的情况相比，当这两种层中的一者中的一层或多层、以及这两种层中的另一者中的一层或多层交替层叠时，可以显著地提高覆膜的强度。当这两种层均由单层构成时，随着层厚度变厚，脆性趋于增加；然而，通过将这两种层中的一者的一层或多层、以及这两种层中的另一者中的一层或多层交替层叠以构建多层，从而将每单位层的厚度控制为较薄时，可以抑制脆性增加的趋势。

在本说明书中，为了方便起见，对覆膜的各构成单位使用术语“膜”或“层”；然而，这些术语的使用并不旨在明确区分“膜”和“层”。

覆膜的整个厚度优选为0.5μm以上15μm以下。所述整个厚度的上限更优选为10μm以下，进一步优选为6μm以下。其下限为0.5 μm。当覆膜的整个厚度小于0.5μm时，覆膜的厚度太薄，结果是表面被覆切削工具的寿命趋于变短。另一方面，当覆膜的整个厚度大于 15μm时，覆膜在切削的早期阶段很可能被崩裂，结果是表面被覆切削工具的寿命趋向于变短。覆膜的整个厚度是指所有第一交替层、第二交替层、下述密着层以及其它层(如果有的话)的厚度。

覆膜的第一交替层和第二交替层各自优选具有立方晶体结构。因此，可以提高覆膜的硬度。当第一交替层和第二交替层各自的全部或一部分是无定形时，硬度降低，结果是表面被覆切削工具的寿命趋于变短。

可以通过适当地调节成膜时间来调节覆膜的整个厚度。此外，本说明书中的表述“覆膜的厚度”是指覆膜的平均厚度。可以(例如) 通过在适当的基材上形成覆膜，在合适的位置切削覆膜，并使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)等观察其截面来测定覆膜的厚度。可以使用(例如) 聚焦离子束***(FIB)、截面抛光机(CP)等来制造用于截面观察的样品。例如，在覆膜的十个位置处获得截面，测量截面中的各个厚度，并且可以将测量值的平均值用作“覆膜的厚度”。此外，可以使用配有SEM或TEM的能量色散X射线光谱仪(EDX)来测定覆膜的元素的组成。可以使用与上述方法类似的方法来测定下述第一层至第四层的厚度和组成。

<<第一交替层(下层、耐磨层)>>

如图1和图2所示，第一交替层112包括如上所述的第一层和第二层。一个或多个第一层和一个或多个第二层交替层叠。特别地，第一层的厚度λ1和第二层的厚度λ2各自优选为0.005μm以上2μm 以下。当第一层的厚度λ1和第二层的厚度λ2各自小于0.005μm时，混合这些层，结果是往往无法获得交替地层叠第一层和第二层的效果。另一方面，当第一层的厚度λ1和第二层的厚度λ2各自大于2μm时，抑制裂纹的发展的效果往往无法获得。为了增加第一交替层的耐磨性和耐氧化性，第一层的厚度λ1和第二层的厚度λ2各自更优选为 0.005μm以上0.5μm以下。

此外，第一层和第二层的厚度比λ1/λ2优选满足1≤λ1/λ2≤5。当λ1/λ2小于1时，覆膜的耐氧化性倾向于降低。另一方面，当λ1/λ2 大于5时，通过交替地层叠第一层和第二层来抑制裂纹的发展的效果往往无法获得。为了提高第一交替层的耐磨性和耐氧化性，λ1/λ2更优选满足1≤λ1/λ2≤4。

(第一层)

第一层由Al_aCr_bM1_1-a-b的氮化物或碳氮化物组成，并且第一层中金属原子各自的原子比满足0.5≤a≤0.9、0<b≤0.4以及0≤1-a-b ≤0.1。由于第一层是氮化物或碳氮化物，因此获得以下效果：膜的硬度变高且耐磨性提高；并且与工件的摩擦系数变小，以提高耐溶接性。

由于第一层包含Al(铝)和Cr(铬)，所以耐氧化性提高。此外，由于Al和Cr的组合，所以第一层具有立方晶体结构，因此获得高的硬度。

特别地，第一层中Cr的原子比b大于0且不大于0.4。为了通过Al和Cr的组合的方式来获得第一层的高硬度，Cr的原子比b需要大于0。另一方面，当Cr的原子比b大于0.4时，第一层的硬度倾向于降低。为了进一步提高第一层的硬度和耐氧化性，Cr的原子比b 优选为0.2以上0.34以下(0.2≤b≤0.34)。

此外，第一层中的Al的原子比a为0.5以上0.9以下。当Al的原子比a小于0.5时，覆膜的耐氧化性倾向于降低。另一方面，当 Al的原子比a大于0.9时，硬度倾向于降低并且倾向于促进磨损。为了进一步提高第一层的硬度和耐氧化性，Al的原子比a更优选为0.56 以上0.7以下(0.56≤a≤0.7)。

M1是选自由元素周期表中的除了Cr和Ti之外的第4族元素(Zr、 Hf等)、第5族元素(V、Nb、Ta等)及第6族元素(Mo、W等)、 Si(硅)和B(硼)构成的组中的一种或多种元素。通过这种元素，提高了第一层的耐热性、膜硬度和耐溶接性。具体而言，M1优选为 B、Si、Zr、V、Nb、W和Ta中的一者。

应当注意，B(硼)通常被认为是呈现介于金属元素和非金属元素之间的中间特性的半金属；然而，在本实施方案中，假设具有自由电子的元素是金属，则硼被认为是金属。

(第二层)

第二层由Al_cTi_dM2_1-c-d的氮化物或碳氮化物组成，第二层中金属原子各自的原子比满足0.35≤c≤0.7、0.3≤d≤0.7以及0≤1-c-d≤0.1。由于第二层是氮化物或碳氮化物，因此获得以下效果：膜的硬度变高且耐磨性提高；并且与工件的摩擦系数变小，以提高耐溶接性。

由于第二层包含Al和Ti，所以其耐磨性提高。此外，由于在第二层中组合了Al和Ti，所以随着Al的添加量的增加，获得了更好地提高耐氧化性的效果。

特别地，第二层中的Al的原子比c为0.35以上0.7以下。当 Al的原子比c小于0.35时，覆膜的耐氧化性倾向于降低。另一方面，当Al的原子比c大于0.7时，第二层的硬度倾向于降低并且倾向于促进磨损。为了进一步提高第二层的耐磨性和耐氧化性，Al的原子比c更优选为0.4以上0.65以下(0.4≤c≤0.65)。

此外，第二层中的Ti的原子比d为0.3以上0.7以下。当Ti的原子比d小于0.3时，倾向于降低硬度并且倾向于促进磨损。另一方面，当Ti的原子比d大于0.7时，覆膜中的Al的添加量相对降低，结果是耐氧化性倾向于降低。为了进一步提高第二层的耐磨性和耐氧化性，Ti的原子比d更优选为0.4以上0.6以下(0.4≤d≤0.6)。

M2是选自由元素周期表中的除了Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。通过这些元素，提高了第二层的耐热性、膜硬度和耐溶接性。具体而言，M2优选为B、Si、Zr、V、Nb、W和Ta中的一者。M1和M2 相同或不同。也就是说，M1和M2可以是相同的元素或者可以是不同的元素。

在第一交替层中，最下层优选为第一层或第二层。当最下层是第一层或第二层时，整个膜的密着性变得均匀，从而抑制了在覆膜和基材之间的界面处发生剥离。当最下层是第一层时，即使基材由于磨损的发展而暴露，也可以抑制基材和覆膜之间的界面的氧化。此外，当最下层是第二层时，第二层倾向于具有小的应力，因此特别是在涉及在切削刃上重复施加负载的断续工艺(如铣削或端铣)的情况下，覆膜的耐剥离性显著提高。

在第一交替层中，最上层优选为第二层。如后所述，由于最上层是第二层，所以可以增加第一交替层与第二交替层之间的密着性。

此外，第一交替层中的最下层和最上层中的一者或两者可以是由具有这样的组成的化合物构成的混合层，在该组成中，第一层的化合物和第二层的化合物混合。混合层的组成由第一层和第二层的元素构成，如TiAlCrN、TiAlCrCN、TiAlCrC、TiAlCrSiN、TiAlCrSiCN或TiAlCrSiC。

<<第二交替层(上层、耐崩裂层)>>

如图1所示，第二交替层113形成在第一交替层112上，并且与第一交替层112的基材侧相对。第二交替层113包括第三层和第四层。一个或多个第三层和一个或多个第四层交替层叠。特别地，第三层的厚度λ3和第四层的厚度λ4各自优选为0.005μm以上2μm以下。当第三层的厚度λ3和第四层的厚度λ4各自小于0.005μm时，这些层被混合，并且趋向于无法获得第三层和第四层交替层叠的效果。另一方面，当第三层的厚度λ3和第四层的厚度λ4各自大于2μm时，倾向于不可能获得抑制裂纹的发展的效果。为了提高第二交替层的耐磨性和耐裂纹发展性，第三层的厚度λ3和第四层的厚度λ4更优选为 0.005μm以上0.5μm以下。

此外，第三层的厚度和第四层的厚度比λ3/λ4优选满足 1≤λ3/λ4≤5。当λ3/λ4小于1时以及当λ3/λ4大于5时，倾向于不可能获得抑制裂纹的发展的效果。为了提高第二交替层的耐裂纹发展性，λ3/λ4更优选满足1≤λ3/λ4≤4。

(第三层)

第三层由Al_eTi_fM3_1-e-f的氮化物或碳氮化物组成，并且第三层中的金属原子各自的原子比满足0.35≤e≤0.7、0.3≤f≤0.7且0≤1-e-f ≤0.1。由于第三层是氮化物或碳氮化物，因此获得以下效果：膜的硬度变高且耐磨性提高；并且与工件的摩擦系数变小，以提高耐溶接性。

由于第三层包含Al和Ti，所以耐磨性提高。此外，由于在第三层中组合了Al和Ti，所以随着Al的添加量的增加，获得了更好地提高耐氧化性的效果。

特别地，第三层中的Al的原子比e为0.35以上0.7以下。当 Al的原子比e小于0.35时，覆膜的耐氧化性倾向于降低。另一方面，当Al的原子比e大于0.7时，第三层的硬度倾向于降低并且倾向于促进磨损。为了进一步提高第三层的耐磨性和耐氧化性，Al的原子比e更优选为0.4以上0.65以下(0.4≤e≤0.65)。

此外，第三层中的Ti的原子比f为0.3以上0.7以下。当Ti的原子比f小于0.3时，倾向于降低硬度且倾向于促进磨损。另一方面，当Ti的原子比f大于0.7时，覆膜中Al的添加量相对降低，结果是耐氧化性倾向于降低。为了进一步提高第三层的耐磨性和耐氧化性， Ti的原子比f更优选为0.4以上0.6以下(0.4≤f≤0.6)。

M3是选自由元素周期表中除了Cr和Ti之外的第4族元素、第 5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。通过这样的元素，提高了第三层的耐热性、膜硬度和耐溶接性。具体而言， M3优选为B、Si、Zr、V、Nb、W和Ta中的一者。M1至M3相同或不同。即，M1、M2和M3可以是相同的元素或不同的元素。然而，为了增加第一交替层和第二交替层之间的密着性，M2和M3优选相同。

(第四层)

第四层由Al_gTi_hM4_1-g-h的氮化物或碳氮化物构成，并且第四层中金属原子各自的原子比满足0.35≤g≤0.7、0.3≤h≤0.7且0≤1-g-h ≤0.1。由于第四层是氮化物或碳氮化物，因此获得以下效果：膜的硬度变高且耐磨性提高；并且与工件的摩擦系数变小，以提高耐溶接性。

由于第四层包含Al和Ti，所以耐磨性提高。此外，由于在第四层中组合了Al和Ti，所以随着Al的添加量的增加，获得了更好地提高耐氧化性的效果。

特别地，第四层中的Al的原子比g为0.35以上0.7以下。当 Al的原子比g小于0.35时，覆膜的耐氧化性倾向于降低。另一方面，当Al的原子比g大于0.7时，第四层的硬度倾向于降低并且倾向于促进磨损。为了进一步提高第四层的耐磨性和耐氧化性，Al的原子比g更优选为0.4以上0.65以下(0.4≤g≤0.65)。

此外，第四层中的Ti的原子比h为0.3以上0.7以下。当Ti的原子比h小于0.3时，倾向于降低硬度并且倾向于促进磨损。另一方面，当Ti的原子比h大于0.7时，覆膜中Al的添加量相对降低，结果是耐氧化性倾向于降低。为了进一步提高第四层的耐磨性和耐氧化性，Ti的原子比h更优选为0.4以上0.6以下(0.4≤h≤0.6)。

M4是选自由元素周期表中除了Cr和Ti之外的第4族元素、第 5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。通过这样的元素，提高了第四层的耐热性、膜硬度和耐溶接性。具体而言， M4优选为B、Si、Zr、V、Nb、W和Ta中的一者。M1至M4相同或不同。也就是说，M1、M2、M3和M4可以是相同的元素或不同的元素。然而，为了增加第三层和第四层之间的密着性，M3和M4 优选相同。

第二交替层优选形成在第一交替层的最上层上，其中第一交替层的最上层由第二层构成。由于第一交替层中的第二层的组成与第二交替层中第三层和第四层的组成接近，所以可以增加第一交替层与第二交替层之间的密着性。鉴于此，第二交替层的最上层和最下层可以是第三层和第四层中的任一层。

此外，第二层中的Al的原子比c、第三层中的Al的原子比e和第四层中的Al的原子比g优选满足e≤c≤g。第二层中的Ti的原子比d、第三层中的Ti的原子比f和第四层中的Ti的原子比h优选满足h≤d≤f。因此，在提高第一交替层与第二交替层之间的密着性的同时，整个覆膜的硬度可以更高，由此可以获得优异的耐崩裂性和耐磨性。

这里，在本实施方案中，有意地将各自作为耐崩裂层的第三层和第四层构造为具有非常相似的构成元素和组成比。因此，可以观察到耐崩裂层(第二交替层)好像其在宏观上具有如图3A所示的单一组成。

然而，第三层中的Al的原子比e和第四层中的Al的原子比g 满足0.05≤|g-e|≤0.2，而第三层中的Ti的原子比f和第四层中的Ti 的原子比h满足0.05≤|h-f|≤0.2。因此，至少第三层和第四层的各自组成比不相同。因此，如图3B所示，在微观上，观察到两种类型的条纹部分或层状部分，从而可以将第三层与第四层区分开。特别地，从图3B中所示的显微照片可以看出，在第三层和第四层之间存在界面(具有轻微的应变而不会大到位错的面)，以区分第三层和第四层。

由于耐崩裂层具有这种界面，所以当在覆膜中产生裂纹时，可以抑制裂纹在第三层和第四层之间传播。此外，由于第三层和第四层的构成元素和组成比非常相似，所以第三层和第四层之间的晶格可以是连续的。因此，第三层和第四层可以具有更高的密着性。

<<密着层>>

如图1、图4A和图4B所示，覆膜11优选地包括位于相对于第一交替层112的基材12侧的密着层111。也就是说，覆膜11优选包括介于第一交替层112和基材12之间的密着层111。在覆膜11中，密着层111更优选被构造成与第一交替层112和基材12接触。由于覆膜11包括密着层111，因此抑制覆膜11与基材12剥离，从而稳定了表面被覆切削工具1的寿命。

密着层的厚度优选为0.5nm以上20nm以下。当密着层的厚度小于0.5nm时，由于厚度太薄，所以不能获得足够的密着力。当密着层的厚度大于20nm时，密着层中的残余应力增加，结果是覆膜11更可能被剥离。密着层的厚度更优选为0.5nm以上10nm以下，特别优选为2nm以上6nm以下。密着层的厚度也可以通过TEM、STEM等来测定。可以通过与覆膜的厚度测定相同的方式获得密着层的截面样品，从而测定密着层的厚度。可以通过与覆膜厚度的测定相同的方式获得用于截面观察的样品。密着层的厚度为平均厚度并且为测定值的平均值。

密着层优选是第一元素、第二元素和选自由基材的元素构成的组中的一种或多种元素的碳化物、氮化物或碳氮化物。第一元素是选自第一交替层中的除了Cr、Ti、Zr(锆)和Nb之外的元素中的一种或多种元素。第二元素是选自由Cr、Ti、Zr和Nb构成的组中的一种或多种元素。选自由基材的元素构成的组中的一种或多种元素至少包括W，并且该W扩散在密着层中。具体而言，第一元素优选为选自Al、Si、B、V和Ta中的一种或多种元素。由于密着层由碳化物、氮化物或碳氮化物组成，所以显著提高了密着性。此外，由于包含作为基材的元素之一的W并且该W扩散在密着层中，因此可以进一步提高基材与密着层之间的密着性。

例如，在根据本实施方案的表面被覆切削工具中，基材包括：包含WC的硬质颗粒；和用于结合该硬质颗粒的结合相。结合相优选包含Co。特别地，密着层优选为包含W、Cr、Ti、Al和M5的碳化物、氮化物或碳氮化物。M5优选为选自由元素周期表中的除了W、 Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。具体而言，M5更优选为Si、B、Zr、V、 Nb和Ta中的一者。

具体而言，密着层优选由这样的化合物构成，该化合物包含与与基材和第一交替层这两者都具有化学相容性的元素，并且可以是包含基材的元素(例如，在基材为硬质合金的情况中，该元素为W或 C)和第一交替层的元素(Cr、Ti、Al、Si、B、N等)的碳化物、氮化物或碳氮化物。特别地，由于这种碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自由Cr、Ti、Zr和Nb构成的组中的一种或多种元素，因此可以显著地提高密着性，从而使表面被覆切削工具的寿命更加稳定。可以通过配备有SEM或TEM的EDX来测定密着层的厚度、构成元素和组成比。

在下文中，密着层的碳化物、氮化物或碳氮化物的具体实例包括以下(a)至(j)：

(a)包含Ti和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WTiC、 WTiN、WTiCN等)；

(b)包含Cr和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如WCrC、 WCrN、WCrCN等)；

(c)包含Ti、Cr和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如 WCrTiC、WCrTiN、WCrTiCN等)；

(d)包含Ti、Al和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如 WTiAlC、WTiAlN、WTiAlCN等)；

(e)包含Ti、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如WTiSiC、 WTiSiN、WTiSiCN等)；

(f)包含Ti、Cr、Al和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如WCrTiAlC、WCrTiAlN、WCrTiAlCN等)；

(g)包含Ti、Cr、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如WCrTiSiC、WCrTiSiN、WCrTiSiCN等)；

(h)包含Ti、Al、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如WTiAlSiC、WTiAlSiN、WTiAlSiCN等)；

(i)包含Ti、Cr、Al、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物 (例如WCrTiAlSiC、WCrTiAlSiN、WCrTiAlSiCN等)；和

(j)这样的碳化物、氮化物或碳氮化物，其中在上述(a)至(i) 之一中，全部或部分Cr被选自Ti、Zr和Nb中的一个或多个元素代替。

<表面被覆切削工具的制造方法>

根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法包括：准备基材的第一步骤；通过物理气相沉积交替层叠一个或多个第一层和一个或多个第二层来形成第一交替层的第二步骤；以及通过所述物理气相沉积交替层叠一个或多个第三层和一个或多个第四层，从而在第一交替层上形成第二交替层的第三步骤。

在制造表面被覆切削工具的方法中，旨在于基材的表面上形成具有耐磨性的覆膜，从而期望形成由具有高结晶性的化合物构成的层。为了研制这种覆膜，本发明人研究了各种成膜技术。结果，使用物理气相沉积作为研制这种覆膜的手段是合适的。物理气相沉积是这样的沉积方法，其中使用物理作用将原料(也称为“蒸发源”或“靶”) 蒸发，并且使被蒸发的原料粘附到基材上。特别地，本实施方案中使用的物理气相沉积优选为选自由阴极电弧离子镀法、平衡磁控溅射法和不平衡磁控溅射法构成的组中的至少一种。其中，更优选使用阴极电弧离子镀法，该阴极电弧离子镀法使得作为原料的元素实现高电离率。当使用阴极电弧离子镀法时，可以在形成覆膜之前对基材的表面进行金属离子轰击清洁处理。因此，可以缩短清洁时间。

在阴极电弧离子镀法中，在将基材设置在设备中并且将靶设置为阴极之后，向该靶施加高电流以引起电弧放电。因此，蒸发靶以使其原子离子化以将其沉积在供给有负偏压的基材上，由此形成覆膜。

此外，例如，在平衡磁控溅射法中，将基材设置在设备中，将靶设置在包括用于形成平衡磁场的磁体的磁控电极上，并且在磁控电极和基材之间施加高频电源，从而产生气体等离子体。由该气体等离子体的产生获得的气体离子与靶碰撞，并且使从靶中射出的原子离子化并沉积在基材上，由此形成覆膜。

在不平衡磁控溅射法中，使通过平衡磁控溅射法中的磁控电极产生的磁场不平衡，由此形成覆膜。

<<第一步骤>>

在第一步骤中，准备基材。例如，准备硬质合金基材作为基材。对于硬质合金基材，可以使用市售的硬质合金基体材料，或者可以使用常规的粉末冶金法制造硬质合金基材。在使用常规的粉末冶金法的制造中，(例如)使用球磨机等将WC粉末、Co粉末等混合，以得到粉末混合物。将该粉末混合物干燥，然后形成预定形状，从而获得成形体。此外，通过对成形体进行烧结，获得WC-Co基硬质合金(烧结材料)。接着，对该烧结材料进行预定的切削刃加工(如珩磨)，由此制造由WC-Co基硬质合金构成的基材。在第一步骤中，除了上述基材外，还可以制备任何常规已知的基材。

(基材清结步骤)

在下述的第二步骤之前，可以进行清洁基材的基材清洁步骤。例如，在第二步骤中使用阴极电弧离子镀法形成覆膜之前，可以在基材的表面上进行离子轰击处理。因此，例如，当将硬质合金基材用作基材时，可以从基材的表面中除去软的结合相。然后，在基材上形成密着层，从而增加密着层和基材之间的接触部分中的硬质颗粒的比例。在这种情况下，与密着层接触的基材的面积中的80％以上优选为WC。

(密着层形成步骤)

此外，通过离子轰击处理，可以形成密着层的前体。具体而言，在离子轰击处理中，使用包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的靶，从而在清洁基材表面的同时，将这些元素附着在基材的表面上以作为密着层的前体。然后，进行在其上附着有这些元素的表面上形成第一交替层的步骤，即下述的第二步骤，从而与第一交替层一起形成密着力优异的密着层。用于离子轰击处理并包含在密着层中的元素的更理想的实例是Cr。由于Cr是可以升华的元素，因此在离子轰击处理中产生较少的熔融颗粒(液滴)，从而抑制了基材的表面粗糙。

例如，第一步骤和随后的基材清洁步骤可以如下进行。在成膜设备的室中，设置具有适当形状的片材作为基材。例如，参照图5 所示的成膜设备，将基材12附接至旋转台20(其设置在室2的中心处)上的基板保持架21的外表面。将偏压电源42连接到基板保持架21。

接下来，如图6所示，在室2中的预定位置处，各自用作覆膜的金属原料的合金靶相应地附接到用于形成第一层的蒸发源31、用于形成第二层的蒸发源32、用于形成第三层的蒸发源33、用于形成第四层的蒸发源34和用于离子轰击的蒸发源30。将电弧电源41附接到用于形成第一层的蒸发源31，并且将各个电弧电源(未示出) 附接到用于形成第二层的蒸发源32、用于形成第三层的蒸发源33、用于形成第四层的蒸发源34和用于离子轰击的蒸发源30。

室2设置有：用于引入气氛气体的气体入口22；以及用于从室 2中排出气氛气体的气体出口23。可以使用真空泵从该气体出口23 抽吸室2中的气氛气体。

首先，通过真空泵将室2内的压力降低到1.0×10^-5至1.0×10^-3Pa，并使旋转台20旋转。然后，使基板保持架21的基材12旋转的同时，使用设置在该设备中的加热器(未图示)在400℃至700℃下将基材 12的温度加热。

接下来，由气体入口22引入氩气作为气氛气体，将室2内的压力保持在1.0Pa至4.0Pa，将偏压电源42的电压逐渐上升到-1000V 至-400V，并将基材12的表面清洁15至90分钟。因此，当基材12 为硬质合金基材时，可以从表面中去除结合相。

用100至200A的电弧电流供给至用于离子轰击的蒸发源30，并对基材的表面进行15至90分钟的离子轰击处理，从而进一步清洁基材的表面并使金属元素附接至该表面。

<<第二步骤>>

在第二步骤中，形成其中一个或多个第一层和一个或多个第二层交替层叠的第一交替层。为了实现第一交替层，根据待形成的第一层和第二层的组成使用各种类型的方法。该方法的实例包括：采用具有不同尺寸的颗粒(如Ti、Cr、Al和Si)的合金靶的方法；采用具有不同组成的多个靶的方法；在成膜期间对待施加的偏压采用脉冲电压的方法或在成膜期间改变气体流速的方法；调节成膜设备中保持基材的基板保持架的旋转速度的方法；等等。也可以使用这些方法的组合来形成第一交替层。

例如，第二步骤可以如下进行。具体而言，在清洁基材12之后，引入氮气作为反应气体，同时使中心处的基材12旋转。此外，在将基材12的温度维持至落入400℃至700℃的范围内的同时，使反应气体压力落入1.0Pa至5.0Pa的范围内，且使偏压电源42的电压落入 -30V至800V的范围内，或者在逐渐改变所述温度、压力和电压的同时，向形成第一层的蒸发源31和形成第二层的蒸发源32分别供给 100A至200A的电弧电流。因此，由蒸发源31和蒸发源32产生金属离子，并且在经过预定时间后停止供给电弧电流，从而在基材12 的表面上形成第一交替层。在这种情况下，通过逐层交替层叠具有一定组成的第一层和第二层来制造第一交替层，同时控制基材12的转速以达到预定厚度(λ1，λ2)和预定层厚比(λ1/λ2)。此外，通过调节成膜时间，将第一交替层的厚度调节到预定范围内。

特别地，在形成第一交替层的最上层和最下层时，可以通过限制所使用的蒸发源(即，通过指定用于形成第一层的蒸发源31和用于形成第二层的蒸发源32中的一者)，从而制造第一层或第二层作为第一交替层的最上层和最下层。例如，当形成第一层作为最下层时，可以通过将用于形成第二层的蒸发源32的电弧电流设定为0A，从而仅形成第一次。此外，当第一交替层的最上层和最下层中的两者或一者是混合层时，可以通过增加旋转台20的旋转速度来制造混合层以作为其中混合有第一层和第二层的层。

<<第三步骤>>

在第三步骤中，形成其中一个或多个第三层和一个或多个第四层交替层叠的第二交替层。为了实现这一点，与第二步骤一样，根据待形成的第三层和第四层的组成来使用各种类型的方法。方法的实例包括：采用具有不同尺寸的颗粒(如Ti、Cr、Al和Si或B)的合金靶的方法；采用具有不同组成的多个靶的方法；对在成膜期间施加的偏压采用脉冲电压的方法或在成膜期间改变气体流速的方法；调节成膜设备中保持基材的基板保持架的旋转速度的方法；等等。也可以使用这些方法的组合来形成第二交替层。

例如，第三步骤可以如下进行。具体而言，如进行第二步骤的实施例中所示，在维持基材12的温度、反应气体压力和偏压的同时，将100A至200A的电弧电流分别施加至用于形成第三层的蒸发源33 和用于形成第四层的蒸发源34，从而由蒸发源33和蒸发源34产生金属离子。然后，在经过预定时间后停止供应电弧电流，并且在第一交替层上形成第二交替层。在这种情况下，通过逐层交替层叠具有上述组成的第三层和第四层来制造第二交替层，同时控制基材12的转速以达到预定厚度(λ3，λ4)和预定层厚比(λ3/λ4)。此外，通过调节成膜时间，将第二交替层的厚度调节到预定范围内。特别地，通过(例如)适当地调节用于蒸发源33和蒸发源34的金属原料的组成，可以将第二交替层控制为满足0.05≤|g-e|≤0.2且0.05≤|h-f|≤0.2。

在形成第一交替层和第二交替层之后，由于韧性提高，可以向覆膜提供压缩残余应力。例如可以通过喷砂法、刷光法、滚磨法、离子注入法等来提供压缩残余应力。

[实施例]

尽管将参考实施例对本发明进行详细描述，但是本发明并不限于此。

<表面被覆切削工具的制造>

图5示出了在本实施例中使用的成膜设备(阴极电弧离子镀设备)的说明性侧向透视示意图。图6示出了图5中所示的阴极电弧离子镀设备的说明性平面透视示意图。

(基材的准备和清洁)

在该成膜设备的室2中准备基材12。在本实施例中，采用片材作为基材12。该片材是ISO标准中具有P30等级并且在JIS标准中具有SFKN 12T3AZTN的形状的硬质合金。如图5所示，将基材12 附接在旋转台20上的基板保持架21的外表面上，其中该旋转台20 设置在室2的中心处。

如图6所示，将以下蒸发源(其中每一个蒸发源都是用作覆膜的金属原料的合金靶)附接至室2：用于形成第一层的蒸发源31(由具有构成第一层的组成的金属原料构成的合金蒸发源)；用于形成第二层的蒸发源32(由具有构成第二层的组成的金属原料构成的合金蒸发源)；用于形成第三层的蒸发源33(由具有构成第三层的组成的金属原料构成的合金蒸发源)；和用于形成第四层的蒸发源34(由具有构成第四层的组成的金属原料构成的合金蒸发源)。

如图5所示，将电弧电源41附接至用于形成第一层的蒸发源31 。此外，将各个电弧电源(未示出)附接到用于形成第二层的蒸发源 32、用于形成第三层的蒸发源33、用于形成第四层的蒸发源34和用于离子轰击的蒸发源30。

将偏压电源42附接至基板保持架21。由于在室2中设置有用于引入气氛气体的气体入口22和用于从室2中排出气氛气体的气体出口23，所以能够使用真空泵将室2内的气氛气体从气体出口23抽吸并排出。

首先，在图5和图6所示的成膜设备中，使用真空泵降低室2 中的压力并使旋转台20旋转，从而旋转基板保持架21的基材12。然后，将设置在该设备中的加热器(未示出)用于在500℃下加热基材12的表面温度并且对室2抽真空，直到室2中的压力变为1.0×10^-4 Pa。

接下来，进行以下处理：从气体入口22引入氩气作为气氛气体；将室2中的压力保持在3.0Pa；将偏压电源42的电压逐渐增加到 -1000V；对基材12的表面进行清洁；以及从基材12的表面除去结合相。然后，从室2的内部排出氩气。

(覆膜的形成)

在实施例1至11、13和15至23中，在清洁基材12之后，在使处于中心的基材12旋转的同时，引入氮气作为反应气体。此外，在将基材12的温度保持在500℃，反应气体压力保持在2.0Pa，偏压电源42的电压保持在-30V至800V的范围内的一定值的同时，或者在逐渐改变所述温度、压力和电压的同时，将100A的电弧电流分别施加到用于形成第一层的蒸发源31和用于形成第二层的蒸发源32。因此，由蒸发源31和蒸发源32产生金属离子，并且在经过预定时间后停止供给电弧电流，从而在基材12的表面上形成具有表1中示出的组成的第一交替层。在这种情况下，通过逐层交替层叠具有表1 所示的组成的第一层和第二层，并同时调节基材12的旋转速度以获得表1中所示的厚度和层厚比(λ1/λ2)，从而制得第一交替层。

在实施例12和14中，以与上述相同的方式制造第一交替层，不同之处在于：除了氮气之外，还引入甲烷气体作为反应气体，从而将第一层和第二层均形成为碳氮化物。

特别地，通过如表1所示控制旋转台20的旋转速度来调节一个第一层的厚度和一个第二层的厚度之比(层厚比)。

此处，如表1所示，实施例1至4中的最上层和最下层均由第一层和第二层的混合层构成，并且实施例5至23中的最上层和最下层均由第一层和第二层中的一者构成。在比较例1、2和7中，对于对应于第一交替层的层，制造了作为单层的TiN层。在比较例3至5 和8中，对于对应于第一交替层的层，制造了作为单层的如表1所示的第一层。比较例6是这样的实例，其中未形成如下所述的第二交替层。以与实施例1相同的方式制造比较例9，不同之处在于：最下层和最上层均由第二层构成；层厚比(λ1/λ2)为5；并且第二交替层中的下述组成比既不满足0.05≤|g-e|≤0.2，也不满足0.05≤|h-f|≤0.2。以这种方式，进行第二步骤。

应当注意，在实施例5至23中，通过仅使用用于形成第一交替层的两种蒸发源中的一种蒸发源来形成膜，从而制造第一交替层的最上层和最下层。通过提高旋转台20的旋转速度以提供其中混合有第一层和第二层的层，从而来制造实施例1至4中的混合层。

[表1]

接下来，在实施例1至12和15至23中，在如上所述保持基材 12的温度、反应气体压力和偏置电压的同时，将100A的电弧电流施加至用于形成第三层的蒸发源33和用于形成第四层的蒸发源34，从而由蒸发源33和蒸发源34产生金属离子。在经过预定时间后，停止供给电弧电流，从而在第一交替层上形成具有表2所示组成的第二交替层。在这种情况下，在调节基材12的转速以获得表2所示的厚度 (λ3，λ4)和层厚比(λ3/λ4)的同时，通过逐层交替层叠具有表2 所示的组成的第三层和第四层来制造第二交替层。在实施例13和14 中，以与上述相同的方式制备第二交替层，不同之处在于：除了氮气之外，还引入甲烷气体作为反应气体，以将第三层和第四层分别形成为碳氮化物。应该注意的是，通过控制如表2所述的旋转台20的旋转速度来调节一个第三层的厚度与一个第四层的厚度之比(层厚比)。通过这种方式进行第三步骤。

尤其是，通过将具有不同组成的金属原料的组合用于第三层和第四层，制造了第二交替层，以满足0.05≤|g-e|≤0.2和0.05≤|h-f| ≤0.2。

在各比较例1至6中，未形成第二交替层。在各比较例7和8 中，按照与实施例2相同的方式制造第二交替层。然而，在比较例9 中，第三层和第四层的组成如表2中所示，因此未满足0.05≤|g-e| ≤0.2和0.05≤|h-f|≤0.2。

[表2]

[表3]

(密着层的形成)

此处，在各实施例11至23中，在与上述“(基材的准备和清洁)”相关的步骤之后，形成具有表4所示的组成和厚度的密着层。在比较例2中，形成具有表4所示厚度的TiN作为对应于密着层的层。

在与上述“(覆膜的形成)”相关的步骤之前、清洁基材12之后，在使位于中心的基材12旋转的同时，通过引入氮气和甲烷中的两者或一者作为反应气体来形成密着层。此外，在将基材12的温度保持在500℃，反应气体压力保持在2.0Pa，偏压电源42的电压保持在-30V至-800V的范围内的特定值，或者在逐渐改变所述温度、压力和电压的同时，向具有与密着层的组成相对应的组成的合金靶(未示出)施加100A的电弧电流。因此，由合金靶产生金属离子。在经过预定时间后，停止供给电弧电流，并且在基材12的表面上形成具有表4所示的组成和厚度的密着层。

[表4]

以上述方式制造了实施例1至23和比较例1至9的表面被覆切削工具。

<表面被覆切削工具的寿命的评价>

<<连续切削试验>>

在下述条件下，使以上述方式获得的实施例和比较例中的各表面被覆切削工具进行连续切削试验，以便通过测量直至后刀面磨损宽度大于0.2mm时的切削距离(以m为单位)来评估工具寿命。其结果示于表4中。切削距离的值越大代表寿命越长。

连续切削试验条件：

工件：SCM 435

切削速度v(m/分钟)：250

进给速度f(mm/切削刃)：0.3

切削量ap(mm)：2.0

径向上的切削量(mm)：50。

<<断续切削试验>>

此外，在下述条件下，使实施例和比较例的各表面被覆切削工具进行干式断续切削试验，以通过测量直至切削刃崩裂为止时的切削距离(以m为单位)，从而评估工具寿命。其结果示于表4中。切削距离的值越大代表寿命越长。

干式断续切削试验条件：

工件：SUS 316

切削速度v(m/分钟)：200

进给速度f(mm/切削刃)：0.2

切削量ap(mm)：2

径向上的切削量(mm)：50。

<<评价结果>>

如表4所示，与各比较例的表面被覆切削工具相比，根据各实施例的表面被覆切削工具显然具有更高的工具寿命。这可能是因为由第一层和第二层构成的第一交替层提供了更高的耐磨性，并且由第三层和第四层构成的第二交替层提供了更高的耐崩裂性。因此，根据各实施例的表面被覆切削工具可以呈现出优异的耐崩裂性和耐磨性，可以承受严苛的切削条件，并且可以获得优异的切削刃质量。

特别地，更加可靠地证实了：在以下条件下工具寿命趋于提高：第二层至第四层中的Al的原子比具有预定关系；第二层至第四层中的Ti的原子比具有预定关系；第一交替层的最下层是第一层或第二层；第一交替层的最上层是第二层；并且λ1/λ2和λ3/λ4均落入预定范围内。此外，由于包括具有预定组成的密着层，因此更加延长了工具寿命。

到此为止，已经对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是一开始就期望以各种方式对实施方案和实施例的构成进行适当地组合和修改。

本文公开的实施方案和实施例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的权项而不是上述实施方案来限定，并且旨在包括与权利要求书的术语等同的范围和含义内的任何修改。

附图标记列表

1：表面被覆切削工具；11：覆膜；111：密着层；112：第一交替层；113：第二交替层；12：基材；2：室；20：旋转台；21：基板保持架；22：进气口；23：出气口；30：离子轰击用蒸发源；31：蒸发源；32：蒸发源；33：蒸发源；34：蒸发源；41：电弧电源；42：偏压电源。

Claims (12)

1.一种表面被覆切削工具，包括：基材和形成在所述基材的表面上的覆膜，

所述覆膜包括第一交替层和形成在所述第一交替层上的第二交替层，

所述第一交替层包括第一层和第二层，

所述第二交替层包括第三层和第四层，

一个或多个所述第一层和一个或多个所述第二层交替层叠，

一个或多个所述第三层和一个或多个所述第四层交替层叠，

所述表面被覆切削工具的特征在于，

所述一个或多个所述第一层中的每一层由Al_aCr_bM1_1-a-b的氮化物或碳氮化物组成，所述第一层中金属原子各自的原子比满足0.5≤a≤0.9、0<b≤0.4以及0≤1-a-b≤0.1，

所述一个或多个所述第二层中的每一层由Al_cTi_dM2_1-c-d的氮化物或碳氮化物组成，所述第二层中金属原子各自的原子比满足0.35≤c≤0.7、0.3≤d≤0.7以及0≤1-c-d≤0.1，

所述一个或多个所述第三层中的每一层由Al_eTi_fM3_1-e-f的氮化物或碳氮化物组成，所述第三层中金属原子各自的原子比满足0.35≤e≤0.7、0.3≤f≤0.7以及0≤1-e-f≤0.1，

所述一个或多个所述第四层中的每一层由Al_gTi_hM4_1-g-h的氮化物或碳氮化物组成，所述第四层中金属原子各自的原子比满足0.35≤g≤0.7、0.3≤h≤0.7以及0≤1-g-h≤0.1，

所述第三层中的Al的原子比e和所述第四层中的Al的原子比g满足0.05≤|g-e|≤0.2，

所述第三层中的Ti的原子比f和所述第四层中的Ti的原子比h满足0.05≤|h-f|≤0.2，

M1、M2、M3和M4中的每一个是选自由元素周期表中的除了Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中

所述第二层中的Al的原子比c、所述第三层中的Al的原子比e和所述第四层中的Al的原子比g满足e≤c≤g，并且

所述第二层中的Ti的原子比d、所述第三层中的Ti的原子比f以及所述第四层中的Ti的原子比h满足h≤d≤f。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述第一交替层的最上层是所述第二层。

4.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述第一交替层的最下层是所述第一层或所述第二层。

5.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述第一层的厚度λ1和所述第二层的厚度λ2各自为0.005μm以上2μm以下，并且

所述第一层的厚度与所述第二层的厚度之比λ1/λ2满足1≤λ1/λ2≤5。

6.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述第三层的厚度λ3和所述第四层的厚度λ4各自为0.005μm以上2μm以下，并且

所述第三层的厚度与所述第四层的厚度之比λ3/λ4满足1≤λ3/λ4≤5。

7.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜的整个厚度为0.5μm以上15μm以下。

8.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于相对于所述第一交替层的所述基材侧的密着层，

所述密着层的厚度为0.5nm以上20nm以下，

所述密着层是包含第一元素、第二元素和选自由所述基材的元素构成的组中的一种或多种元素的碳化物、氮化物或碳氮化物，

所述第一元素是选自由元素周期表中的除了Cr、Ti、Zr和Nb之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Al、Si和B构成的组中的一种或多种元素，

所述第二元素是选自由Cr、Ti、Zr和Nb构成的组中的一种或多种元素，并且

选自由所述基材的元素构成的组中的所述一种或多种元素至少包括W，并且所述W扩散在所述密着层中。

9.根据权利要求8所述的表面被覆切削工具，其中

所述基材包括含有WC的硬质颗粒和用于结合所述硬质颗粒的结合相，

所述结合相包含Co，

所述密着层是包含W、Cr、Ti、Al和M5的碳化物、氮化物或碳氮化物，并且

所述M5是选自由元素周期表中的除了W、Cr和Ti之外的第4族元素、第5族元素及第6族元素、Si和B构成的组中的一种或多种元素。

10.根据权利要求1、2和9中任一项所述的表面被覆切削工具，其中所述第一交替层和所述第二交替层各自具有立方晶体结构。

11.一种制造根据权利要求1至10中任一项所述的表面被覆切削工具的方法，该方法包括：

准备所述基材；

通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第一层和所述一个或多个所述第二层，从而形成所述第一交替层；以及

通过物理气相沉积交替层叠所述一个或多个所述第三层和所述一个或多个所述第四层，从而在所述第一交替层上形成所述第二交替层。

12.根据权利要求11所述的制造表面被覆切削工具的方法，其中所述物理气相沉积是选自由阴极电弧离子镀法、平衡磁控溅射法和不平衡磁控溅射法构成的组中的至少一种。