CN101821040A - 刃口替换型切削刀片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刃口替换型切削刀片，该刃口替换型切削刀片具有基材和形成于该基材上的涂层，该刃口替换型切削刀片的特征在于所述涂层由至少含有TiCN层的多个层构成，并且所述多个层中的至少一层施加有残余压应力，所述TiCN层是以TiCN为主体的层，在X线衍射时，(422)面具有最高峰强度，同时，(311)面具有第二高峰强度，并且(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)为大于或等于1.1且小于或等于10。

Description

刃口替换型切削刀片

技术领域

本发明涉及刃口替换型切削刀片。

背景技术

根据现有技术，已知有装卸自如地安装在工具上以对工件进行切削加工的刃口替换型切削刀片。为了提高这种刃口替换型切削刀片的耐磨性或韧性，人们提出了许多个关于这样的结构的方案：采用化学气相沉积法或物理气相沉积法，在由超硬质合金或金属陶瓷构成的基材上形成陶瓷等硬质涂膜以作为涂层。

人们已知，通常来说，由于通过化学气相沉积法形成的涂层与基材的热膨胀系数不同，涂敷之后，存在着由热应力造成的残余拉应力，由此降低了抗破损性。

针对这种情况，在日本特开平07-100701号公报(专利文献1)和特开平11-256336号公报(专利文献2)中，公开了这样的被覆切削工具：其中，通过控制TiCN层(已知其作为上述涂层中的一种)的结晶取向性而使得抗破损性优异。然而，仅仅控制涂层的结晶取向性，依然存在残余拉应力，因此不能获得充分的抗破损性。

另一方面，在日本特开平04-300104号公报(专利文献3)中，公开了通过下述方法使抗破损性得以提高的表面被覆切削工具，所述方法为：采用化学气相沉积法或物理气相沉积法形成涂层之后，用压缩空气冲撞氧化铝制的球以进行喷丸，使涂层中的残余拉应力或残余压应力为9kgf/mm²(88MPa)以下。但是，近年来，高效加工显著进步，针对这种状况，具有上述应力水平的话，抗破损性并不充分，因此需要进一步提供残余压应力。

此外，在日本特开昭64-031972号公报(专利文献4)中，公开了通过下述方法获得的高韧性涂覆材料，所述方法为：通过化学气相沉积法形成涂膜之后，使用尽可能大的冲击力进行喷丸，由此将50kgf/mm²(490MPa)以上的压应力施加到基材和/或涂膜上。然而，当涂膜整体具有高的压应力时，存在这样的问题：涂膜自身发生自我破坏，使得耐磨性降低。另外，由于涂膜和基材的粘附性降低，因此存在涂膜容易剥离的问题。

专利文献1：日本特开平07-100701号公报

专利文献2：日本特开平11-256336号公报

专利文献3：日本特开平04-300104号公报

专利文献4：日本特开昭64-031972号公报

发明内容

本发明要解决的问题

鉴于上述问题，进行了本发明，本发明的目的是提供一种在兼顾耐磨性和抗破损性的同时、基材和涂层之间的粘附性也优异的刃口替换型切削刀片。

解决问题的手段

本发明人对提高通过化学气相沉积法形成涂层后的刃口替换型切削刀片的耐磨性和抗破损性的方法进行了研究，结果发现，通过形成以TiCN为主体的TiCN层作为涂层中的一层、并控制该TiCN层的结晶取向性，同时给涂层中的任意一层赋予残余压应力，从而可以在兼顾耐磨性和抗破损性的同时，使得基材和涂层之间的粘附性也优异，并且基于该发现进一步进行了研究，最终完成了本发明。

也就是说，本发明的刃口替换型切削刀片具有基材以及形成于该基材上的涂层，所述涂层由至少含有TiCN层的多个层构成，并且所述多个层中的至少一层被赋予了残余压应力，所述TiCN层是以TiCN为主体的层，其特征在于：在X线衍射中，(422)面具有最高峰强度，同时，(311)面具有第二高峰强度，并且(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)大于或等于1.1且小于或等于10。

所述TiCN层的(220)面的取向性指数TC(220)优选为1以下。此外，上述涂层包括上述TiCN层、最表面层以及氧化铝层；所述最表面层是构成上述涂层表面的层，该最表面层以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者为主成分；所述氧化铝层是位于所述最表面层和上述TiCN层之间的、以Al₂O₃为主体的层；上述最表面层、上述氧化铝层、以及上述TiCN层中的至少一层被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。

此处，上述最表面层优选由Ti的氮化物构成，并且优选的是，上述氧化铝层是以具有κ型晶体结构的Al₂O₃为主体的层。

另外，上述涂层优选在上述氧化铝层的正下面具有由TiB_xN_y(式中，x和y分别表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)构成的TiBN层。而且，上述最表面层的厚度优选为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。

此外，上述氧化铝层的厚度优选为大于或等于0.05μm且小于或等于2μm，并且所述涂层优选包括一层以上的由：选自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)和VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、以及Si所构成的组中的至少一种元素；与选自碳、氮、氧和硼所构成的组中的至少一种元素形成的化合物构成的硬质层。

另外，上述涂层优选通过化学气相沉积法来形成，并且优选具有由Ti的氮化物构成的、且厚度为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下层。此外，上述基材优选由超硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、或氮化硅烧结体中的任意一者构成。

发明效果

本发明的刃口替换型切削刀片由于具备上述结构，所以在兼顾耐磨性和抗破损性的同时，可以使得基材和涂层之间的粘附性也优异。

实施本发明的最佳方式

下面对本发明进行更详细的说明。

<刃口替换型切削刀片>

本发明的刃口替换型切削刀片具有基材以及形成于该基材上的涂层。对所述刃口替换型切削刀片的形状没有特别的限定，只要具备上述基本结构即可，可以具有以往公知的所有形状。

本发明的这种刃口替换型切削刀片可适用于下述用途：例如，钻孔加工用、端铣刀(end mill)加工用、铣削加工用、旋削加工用、金属锯加工用、齿轮刀具(gear cutting tools)加工用、铰刀(reamer)加工用、攻螺纹(tapping)加工用、或者曲轴的喷丸(crankshaft pinmilling)加工用等。

<基材>

对本发明的刃口替换型切削刀片的基材没有特别的限定，可以采用以往公知的作为这种切削刀片的基材。作为这种基材的例子，可以列举：例如，超硬质合金(例如包括WC基超硬质合金、除了WC外还含有Co和/或Ni的材料、或者进一步添加有Ti、Ta、Nb、Zr、Hf、Cr、V等的碳化物、氮化物、碳氮化物等的材料)、金属陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等为主成分的材料)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、以及它们的混合物等)、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、或者氮化硅烧结体等。当使用超硬质合金作为这种基材时，该超硬质合金即使在结构中包含游离碳或者被称作ε相的异常相，也可以显示出本发明的效果。

此外，这些基材即使其表面被改性也没有关系。例如，当使用超硬质合金时，在其表面上可以形成脱β层，或者当使用金属陶瓷时，可以形成表面硬化层，这样，即使表面被改性，也可以显示出本发明的效果。

<涂层>

本发明的涂层由至少含有具有特定的结晶取向性的TiCN层的多个层构成，其特征在于，所述多个层中的至少一层被赋予了残余压应力。这样，通过具有特定的结晶取向性的TiCN层，对于剪切变形的强度变得非常强大，由此在抗破损性方面优异。而且，在抗破损性得到提高的同时，耐磨性也得以提高，因此，可以平衡地改善耐磨性和抗破损性这二者。此外，通过给构成涂层的多个层中的至少一层赋予残余压应力，可以抑制由切削时的冲击而发生于涂层表面上的裂缝向涂层整体传播的现象，由此进一步改善抗破损性。另一方面，只要在位于被赋予了残余压应力的层的内侧的层(即，相对于被赋予了残余压应力的层，位于基材一侧的各层)中残存有残余拉应力，则不会发生涂层的自我破坏，从而在显示出优异的耐磨性的同时，其与基材之间的粘附性也优异。这样，通过上述的特性协同作用，本发明的涂层具有高度协调的耐磨性和抗破损性，同时其与基材之间的粘附性也优异。

在本文中，上述残余压应力是指残留在涂层中的内应力(固有应变)、并且通常以“-”(负号)的数值(单位：在本发明中使用“GPa”)来表示的应力。但是，在本发明中，除了与残余拉应力进行对比的情况等之外，如果没有特别的指出，则省略该负号的符号。因此，特别是在不使用数值的情况下表示残余压应力的大小时，上述数值的绝对值越大，表示残余压应力越大；另外，上述数值的绝对值越小，表示残余压应力越小。与此相对，残余拉应力也是指残留在涂层中的内应力(固有应变)，并且通常以“+”(正号)的数值(单位：在本发明中使用“GPa”)来表示的应力。

另外，可利用X射线应力测量仪根据sin²ψ法来测量所述残余压应力或残余拉应力。根据所述sin²ψ法，测定位于刃口替换型切削刀片的前刀面(rake face)或后刀面(flank face)等平坦部位的任意3个以上的点(优选的是，选择这些点使得它们彼此相距0.5mm以上的距离，使得这些点可以代表该部位的应力)的应力，并求出其平均值，从而测定残余压应力或残余拉应力。

这种利用X射线的sin²ψ法作为一种测量多晶材料残余应力的方法而被广泛使用，例如，可以使用文献“X线应力测定法”(日本材料学会，株式会社养贤堂1981年出版)第54-67页中详细描述的方法。另外，也可以利用放射线来测定上述的残余应力。在这种情况下，具有这样的优点：可以求出涂层厚度方向上的残余应力分布。

此外，合适的是，本发明的所述涂层的厚度为大于或等于0.1μm且小于或等于30μm，优选为大于或等于1μm且小于或等于20μm。另外，本发明的涂层可以形成为包覆基材的整个表面，也可以形成为包覆基材的一部分。

<TiCN层>

本发明的涂层至少包含TiCN层。该TiCN层是以TiCN为主体的层，其特征在于：在X线衍射中，(422)面具有最高峰强度，同时，(311)面具有第二高峰强度，并且(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)为大于或等于1.1且小于或等于10。

通过使峰强度比I(422)/I(311)位于上述范围内，可以获得特别优异的抗破损性。据推测，这是因为：相对于作为TiCN的一次滑动面的(220)面，(422)面和(311)面分别具有约30°、约31°的角度，这些面的取向性越高，对于切削时的剪切变形的强度就越强。特别是，在(422)面具有最高峰强度并且峰强度比I(422)/I(311)为大于或等于1.1且小于或等于10的情况下，抗破损性和耐磨性之间的平衡性特别优异。而且，在这种情况下，还可以充分地经受住后述的对涂层表面进行喷抛处(blast treatment)时所产生的冲击，从而在防止涂层被破坏的同时，可以赋予充分的残余压应力。上述峰强度比I(422)/I(311)更优选为大于或等于4且小于或等于10的范围，进一步优选为大于或等于5且小于或等于10的范围。

所述TiCN层的(220)面的取向性指数TC(220)优选为1以下。在本文中，取向性指数TC(hk1)由下式(I)来定义。

[式1]

$\mathrm{TC}\left(\mathrm{hk}1\right)=\frac{I\left(\mathrm{hk}1\right)}{I_0\left(\mathrm{hk}1\right)}{\left(\frac{1}{8}\mathrm{\&Sigma;}\frac{I\left(\mathrm{hk}1\right)}{I_0\left(\mathrm{hk}1\right)}\right)}^{-1}...\left(I\right)$

在式(I)中，I(hk1)表示被测定的(hk1)面的峰强度(衍射强度)，I₀(hk1)是按照JCPDS文件(Joint Committee on Powder DiffractionStandards(粉末X线衍射标准)文件；32-1383(TiC)、38-1420(TiN))测定的构成(hk1)面的TiC和TiN的粉末衍射强度的平均值，(hk1)表示(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)、(511)这8个面。

通过使该(220)面的取向性变差(也就是说，使取向性指数TC(220)减小)，可以进一步提高TiCN层的抗破损性，而且即使在通过后述的喷抛处理赋予残余压应力之后，涂层也不会发生破坏，可以保持良好的涂膜形态，因而在抗破损性和耐磨性之间取得了优异的平衡。所述取向性指数TC(220)更优选为0.5以下，进一步优选为0.3以下。

虽然所述TiCN层以TiCN为主体，但是在本文中，“以TiCN为主体”意味着含有90质量％以上的TiCN，优选的是除了不可避免的杂质之外仅由TiCN构成。

虽然对所述TiCN(Ti的碳氮化物)中所含有的各元素之间的原子比没有特别的限定，可以包括以往公知的所有原子比，但是，例如，关于Ti和CN的原子比，当将CN合计为1时，Ti优选为0.8～1.4；关于C和N的原子比，当将C设为1时，N优选为0.8～1.2。

所述TiCN层优选由MT-CVD(中温化学气相沉积法)法来形成，由此表现出特别良好的抗破损性和耐磨性。在本文中，MT-CVD法是指在约830～950℃的比较低的温度下进行的化学气相沉积法，而通常的化学气相沉积法(CVD法)多在约950～1050℃下进行成膜。此外，通过所述MT-CVD法，特别是通过采用以0.5体积％以下这样少量的CH₃CN进行成膜的条件(当在该TiCN层的正下面形成如后所述的最下层时，在850℃以下的低温下形成该最下层)，可以形成具有上述的结晶取向性的TiCN层。

另外，TiCN层的厚度优选为大于或等于0.1μm且小于或等于15μm，更优选的是，其上限为12μm、下限为0.5μm。如果该厚度超过15μm，则有时候由于抗破损性降低因而不是优选的，而如果不足0.1μm，则有时不能显示出如上所述的优异效果。

<最表面层和氧化铝层>

本发明的涂层在含有上述TiCN层的同时，优选含有最表面层和氧化铝层。

在本文中，最表面层是构成所述涂层表面的层，其以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者为主成分。术语“以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者为主成分”是指含有90质量％以上的Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者，优选的是，除了不可避免的杂质之外仅由Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者构成。此外，在各Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中，关于Ti与Ti以外的元素(即，C、N、以及CN)的质量比，优选的是Ti为50质量％以上。

此外，在Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物的任意一者中，特别优选的是Ti的氮化物(即，由TiN表示的化合物)。在这些化合物中TiN的色彩最鲜明(呈金色)，因此其具有切削使用之后的切削刀片的位置容易识别的优点。

另外，在本发明中，当化合物由TiN等化学式来表示、且对原子比没有特别的限定时，可以包含以往公知的所有原子比，而并不一定仅限定于化学计量范围内的原子比。例如，当仅记载为“TiCN”时，“Ti”、“C”和“N”的原子比并不一定仅限于50∶25∶25，此外，当记载为“TiN”时，“Ti”和“N”的原子比也并不一定仅限于50∶50。作为这些原子比，包括以往公知的所有原子比。

本发明的最表面层的厚度优选为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。进一步，该厚度的上限为0.8μm，更优选为0.6μm，并且其下限为0.1μm，更优选为0.2μm。在该厚度不足0.05μm的情况下，当赋予残余压应力时，其效果不充分，对改善抗破损性没有太大的效果；而如果该厚度超过1μm，则有时候与位于最表面层内侧的层之间的粘附性降低。

另一方面，上述氧化铝层是位于上述最表面层与上述TiCN层之间的、以Al₂O₃为主体的层。这种氧化铝层对高速切削时的氧化磨损显示出良好的性能，因此其有助于提高耐磨性。在本文中，术语“以Al₂O₃为主体”意味着含有90质量％以上的Al₂O₃，优选的是，除了不可避免的杂质之外仅由Al₂O₃构成。

优选的是，所述氧化铝层是以具有κ型晶体结构的Al₂O₃(以下有时以κ-Al₂O₃来表示)为主体的层。通常，在高速切削时，虽然具有α型晶体结构的Al₂O₃(以下有时以α-Al₂O₃来表示)在耐磨性方面优异，但是如后所述，在为了赋予残余压应力而进行喷抛处理时，在进行处理的同时氧化铝层自身被破坏，因此有时其与最表面层等一起发生剥离。与此相对，当采用κ-Al₂O₃时，即使进行喷抛处理也不会发生破坏，从而防止了与最表面层等一起发生剥离的现象，因此优选κ-Al₂O₃。另外，这种晶体结构可通过X线衍射来确认。

所述氧化铝层的厚度优选为大于或等于0.05μm且小于或等于2μm，更优选的是，其上限为1.5μm、下限为0.5μm。如果该厚度超过2μm，则抗破损性降低，因此有时是不优选的，而如果该厚度不足0.05μm，则有时不能显示出充分的耐磨性。

<残余压应力>

如上所述，优选的是，本发明的涂层由多个层构成，并且在所述多个层中至少一层被赋予了残余压应力，特别是，在所述最表面层、所述氧化铝层、以及所述TiCN层中，至少一层被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。而且，所赋予的残余压应力进一步优选为大于或等于0.1GPa且小于或等于2GPa。另外，所述残余压应力的上限值更优选为1.8GPa以下。

当所赋予的残余压应力不足0.05GPa时，有时不能表现出提高抗破损性的效果，而如果超过2GPa，则有时候由于与形成在该层内侧的层之间的应力差而使得粘附性降低，在切削开始初期就发生了剥离，因此有时候抗破损性降低。

<TiBN层>

优选的是，本发明的涂层在氧化铝层的正下面(与氧化铝层邻接的基材一侧的位置处)具有由TiB_xN_y(式中，x和y分别表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)构成的TiBN层。由于所述TiBN层的表面形成为非常细的针状组织，所以显示出优异的与氧化铝层的粘附性。

如后所述，在为了给涂层表面赋予残余压应力而进行喷抛处理等的情况下，虽然存在着氧化铝层发生剥离或者脱落的问题，但是通过使所述TiBN层形成在氧化铝层的正下面，从而可以解决上述问题。上式中，x和y特别优选为0.003≤x/(x+y)≤0.02)。由此使得其与氧化铝层之间获得特别良好的粘附力。此外，关于Ti与BN的原子比，当将BN总数设为1时，Ti优选为0.8～1.5。

另外，所述TiBN层中可以含有构成本发明涂层的其他层中所含有的元素(特别是，与TiBN层邻接的层中所含有的元素)。所述TiBN层的厚度优选为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm，更优选的是，其上限为0.8μm、下限为0.1μm。如果该厚度超过1μm，则耐磨性降低，因此有时候是不优选的，而如果该厚度不足0.05μm，则有时候其与氧化铝层之间不能显示出充分的粘附性。

另外，所述TiBN层优选被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。由此可以提高上述氧化铝层与后述TiCN层之间的粘附性。

<硬质层>

本发明的涂层还包括一层以上的由：选自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Al、以及Si所构成的组中的至少一种元素与选自碳、氮、氧和硼所构成的组中的至少一种元素形成的化合物构成的硬质层。除了本发明涂层中最表面层的位置之外，可以在任何位置上形成所述硬质层。例如，可以在最表面层和氧化铝层之间、氧化铝层(TiBN层)和TiCN层之间、或者TiCN层和基材(最下层)之间等形成。另外，当该硬质层位于最表面层和氧化铝层之间、或者氧化铝层(TiBN层)和TiCN层之间时，该硬质层优选被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。由此可以提高各层之间的粘附性。

作为构成所述硬质层的化合物，可以列举(例如)TiC、TiN、TiCN、TiNO、TiCNO、TiB₂、TiO₂、TiBN、TiBNO、TiCBN、TiCrCN、ZrC、ZrO₂、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、AlN、AlCN、ZrN、TiZrN、TiAlC、NbC、NbN、NbCN、Mo₂C、WC、W₂C等。

所述硬质层每层的厚度优选为大于或等于0.1μm且小于或等于15μm。

<最下层>

本发明的涂层优选具有由Ti的氮化物构成的、且其厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下层(与基材邻接的层)。这种由Ti的氮化物(TiN)构成的最下层与基材之间的粘附性高，如后所述，即使为了给涂层中的至少一层赋予残余压应力而对涂层表面进行喷抛处理时，也可以防止涂层整体发生剥离。此外，根据本发明，即使在涂层中的至少一层被赋予了残余压应力时，通过形成所述最下层，可以显示出这样优异的效果：可获得可经受切削的充分的粘附性。

所述最下层的厚度的下限优选为0.1μm。

<制造方法>

本发明的涂层优选通过化学气相沉积法(CVD法)来形成。由此，使涂层的各层具有残余拉应力，直到进行后述的喷抛处理为止，从而使其与基材的粘附性非常高。而且，在本发明中，通过对采用所述化学气相沉积法形成的涂层表面进行喷抛处理，给涂层中的至少一层赋予了残余压应力，并且通过化学气相沉积法来形成涂层的各层，使得粘附性和抗破损性之间的平衡性特别优异。

对所述化学气相沉积法没有特别的限定，可以使用以往公知的方法，并且对条件等没有限定。例如，可以采用850～1050℃左右的成膜温度，并且对所使用的气体也没有特别的限定，可以使用乙腈等腈类气体等以往公知的气体。

此外，作为给涂层中的至少一层赋予残余压应力的方法，例如可以利用喷抛处理来实施：使钢球等金属粉末或氧化铝等陶瓷粉末直接地与涂层的表面相撞、或者与水等溶剂混合之后再与涂层的表面相撞。虽然可以根据涂层的结构或所赋予的残余压应力的大小等来适宜地调节所述相撞等的具体条件，但是，如果相撞程度过弱，则不能赋予残余压应力，因此优选的是，用适当的强度使它们相撞。作为更优选的具体条件，可以列举下述条件：喷射压力(使所述金属粉末或陶瓷粉末相撞时作为介质的压缩空气等的压力)为大于或等于0.08MPa且小于或等于0.3MPa，相撞时间为大于或等于3秒且小于或等于20秒，喷射距离(从所述粉末的喷出口(喷嘴前端)到被喷射物的距离)为大于或等于20mm且小于或等于50mm。通过对涂层的表面进行这种条件的喷抛处理，可以给构成涂层的多个层中的至少一层赋予大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。

<实施例>

虽然下面将列举实施例来更加详细地说明本发明，但本发明并不局限于此。

将由1.5质量％的TaC、1.0质量％的NbC、9.0质量％的Co以及余量的WC构成(含有不可避免的杂质)的超硬质合金制切削刀片(形状：住友电工硬质合金(株)制造的CNMG120408N-UX)作为基材，根据公知的热CVD法，在该基材上形成表1所示的涂层的各层(在表1中，从左侧所示的层开始依次在基材上形成的各层)，由此制作刃口替换型切削刀片。

例如，在表1中的实施例1中，在基材上依次形成0.2μm的TiN(最下层)、6.5μm的TiCN(根据MT-CVD法来形成，TiCN层)之后，形成0.4μm的TiBN膜(TiBN层)、1.0μm的κ-Al₂O₃膜(氧化铝层)、0.7μm的TiN膜(最表面层)。

另外，在下述条件下，形成基材正上面的TiN层(即，最下层)。即，使用由TiCl₄：2.0体积％、N₂：50体积％、H₂：剩余部分构成的反应气体，并且压力设定为6.7kPa，温度设定为840℃。

此外，在下述条件下，根据MT-CVD法，形成上述TiCN层。即，使用由TiCl₄：2.0体积％、CH₃CN：0.5体积％、N₂：50体积％、H₂：剩余部分构成的反应气体，并且压力设定为6.7kPa，温度设定为840℃。这样，特别是在850℃以下的低温下形成最下层、同时用0.5体积％以下的少量CH₃CN来形成TiCN层，由此可以控制形成TiCN层，使得TiCN层具有本发明所希望的特定的结晶取向性。

此外，在下述条件下形成上述TiBN层。即，使用由TiCl₄：2.0体积％、BCl₃：0.01体积％、N₂：10.0体积％、H₂：剩余部分构成的反应气体，并且压力设定为4.0kPa，温度设定为930℃。这样，特别是在压力为2.0～4.2kPa的条件下，其与氧化铝层之间的粘附性高，因此优选。

另外，κ-Al₂O₃(氧化铝层)的成膜条件如下。使用由AlCl₃：5.0体积％、CO₂：2.0体积％、H₂：剩余部分构成的反应气体，并且压力设定为6.0kPa，温度设定为1000℃。

此外，这样成膜后的涂层总厚度记载在表1的“总膜厚”栏中。在表1中，涂层最右侧记载的、并且其组成中含有Ti的层为最表面层(但是，在实施例24和25中，在涂层的表面上形成有含Zr的层)，κ-Al₂O₃或者α-Al₂O₃的标记表示氧化铝层。另外，TiBN的标记表示TiBN层，TiCN的标记表示TiCN层，除此之外的化合物的标记表示最下层(记载在最左侧的TiN)或者硬质层。即，表1中的涂层一栏中，通过各标记的化合物来表示各层的构成。

此外，如上所述在形成涂层之后，一边以60rpm的速度旋转切削刀片，一边从与刃口脊线呈45°的方向开始，在前刀面和后刀面上均匀地进行下述喷抛处理，所述喷抛处理为：在0.1MPa的压缩空气下，使平均粒径为50μm的氧化铝球，在喷射距离为30mm的条件下相撞5秒钟，由此给涂层的至少一层赋予残余压应力，从而制得本发明的刃口替换型切削刀片。另外，位于TiCN层的内侧(基材一侧)的涂层各层中具有残余拉应力。

利用上述的X射线应力测量仪，根据sin²ψ法测定赋予到涂层中的残余压应力，其结果示于表1中。例如，在实施例1的刃口替换型切削刀片中，TiCN层被赋予了0.6GPa的残余压应力、氧化铝层被赋予了0.8GPa的残余压应力，并且最表面层被赋予了0.9GPa的残余压应力。另外，在表1中，对残余压应力的数值标注“负号”符号，以与标注有“正号”符号的残余拉应力区别开。

此外，根据EPMA(电子探针微分析，Electron Probe MicroAnalysis)，求出构成上述TiBN层的TiB_xN_y的x和y，并将x/(x+y)的值记载在表1中。实施例1中的x/(x+y)的值为0.004。

而且，通过利用X射线衍射仪(RIGAKU株式会社制造；“RINT2400”)对TiCN层进行X射线衍射，从而确认了(422)面具有最高峰强度，同时(311)面具有第二高峰强度，并且，测定了(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)，并示于表1(“TiCN层的I(422)/I(311)”栏)中。同样，测定了(220)面的取向性指数TC(220)，并示于表1(“TiCN层的TC(220)”栏)中。

以上对实施例1进行了描述，采用与实施例1相同的方法，制作了实施例2～25和比较例1～7的刃口替换型切削刀片，并示于表1中。另外，比较例1与实施例1的不同之处在于：没有对涂层表面进行喷抛处理，由此最表面层、氧化铝层、以及TiCN层具有残余拉应力。比较例2与实施例1的不同之处在于：峰强度比I(422)/I(311)不足1.1。比较例3与实施例1的不同之处在于：没有形成最表面层，并且氧化铝层和TiCN层具有残余拉应力。比较例4与实施例1的不同之处在于：峰强度比I(422)/I(311)不足1.1，并且取向性指数TC(220)超过1。比较例5与实施例1的不同之处在于：峰强度比I(422)/I(311)超过10。在比较例6中，最表面层、氧化铝层、以及TiCN层具有残余拉应力。在比较例7中，最表面层、氧化铝层、以及TiCN层具有残余拉应力，并且没有形成最下层。

另外，通过对实施例的各刃口替换型切削刀片的TiCN层进行X射线衍射，从而确认了(422)面具有最高峰强度、同时(311)面具有第二高峰强度。

[表1]

此外，在以下条件下对这些刃口替换型切削刀片(实施例1～25和比较例1～7)进行切削试验。

<抗破损性试验>

在工件为SCM440(6个开槽)、切削速度为150m/分钟、进给量为0.2mm/rev、切削深度为1.5mm、以及干式的条件下进行。用20个刀刃切削20秒钟，根据此时的破损数(破损的刀刃数)求出破损率，从而进行评价。即，破损率(％)＝(破损数/20)×100。其结果示于表2中。破损率越低，表示抗破损性越优异。由表2显然可见，与比较例的刃口替换型切削刀片相比，实施例的刃口替换型切削刀片的抗破损性大幅度提高。

<临界进给量试验>

在工件为S45C、切削速度为200m/分钟、切削深度为1.8mm、以及干式的条件下，将进给量从0.2mm/rev开始，每次提高0.01mm/rev，测定刀刃缺损时的进给量作为临界进给量。其结果示于表2中。临界进给量的数值越大，表示切削效率越优异。由表2显然可见，与比较例的刃口替换型切削刀片相比，实施例的刃口替换型切削刀片的临界进给量大幅度提高，从而可以进行高效加工。

<耐磨性试验>

在工件为SCr420H、切削速度为300m/分钟、进给量为0.2mm/rev、切削深度为2.0mm、以及湿式(水溶性切削油)的条件下进行。测定切削15分钟后的刀片后刀面侧的平均磨损量Vb(mm)(该数值越小，表示耐磨性越优异)而进行评价。此外，测定工件的外径，并测定相对于设定值的加工精度(其绝对值越小，表示加工精度越优异)。另外，利用扫描电子显微镜(SEM)，观察切削试验后的刃口替换型切削刀片的损伤形态(在表2中，Al₂O₃是指氧化铝层)。此外，对于切削试验后的刃口替换型切削刀片，用肉眼来确认位置的清晰性。这些结果示于表2中。

由表2显然可见，与比较例的刃口替换型切削刀片相比，实施例的刃口替换型切削刀片的耐磨性大幅度提高，同时还可以获得非常高的加工精度。此外，由SEM观察的结果可见，与比较例的刃口替换型切削刀片相比，实施例的刃口替换型切削刀片的损伤形态良好，稳定且寿命长，并且基材与涂层的粘附性良好。另外，还可以确认，特别是当形成由TiN构成的层作为最表面层时，使用位置的识别非常清晰。

由上可见，本发明的刃口替换型切削刀片在兼顾耐磨性和抗破损性的同时，基材与涂层之间的粘附性也优异。

[表2]

如上所述，虽然对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是本发明的本意也包括上述各实施方案和实施例的结构的适当组合。

在此公开的实施方案和实施例均应该看作是解释性的，而不是限制性的。本发明的范围不是由上面的说明书部分示出的，而是由权利要求书的范围限定的，并且含义及范围与本发明权利要求书的范围等同的所有变化也包括在本发明的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种刃口替换型切削刀片，其为具有基材以及形成于该基材上的涂层的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层由至少含有TiCN层和氧化铝层的多个层构成，并且所述多个层中的至少一层被赋予了残余压应力，

所述TiCN层是以TiCN为主体的层，在X线衍射中，(422)面具有最高峰强度，同时(311)面具有第二高峰强度，并且(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)为大于或等于1.1且小于或等于10，而且(220)面的取向性指数TC(220)为小于或等于1，

所述氧化铝层是以具有κ型晶体结构的Al₂O₃为主体的层，并且其厚度为大于或等于0.5μm且小于或等于1.5μm。

2.(删除)

3.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含所述TiCN层、最表面层和所述氧化铝层，

所述最表面层是构成所述涂层表面的层，该最表面层以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者为主成分，

所述氧化铝层位于所述最表面层和所述TiCN层之间，

所述最表面层、所述氧化铝层、以及所述TiCN层中的至少一层被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。

4.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述最表面层由Ti的氮化物构成。

5.(删除)

6.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含在所述氧化铝层正下面的由TiB_xN_y(式中，x和y分别表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)构成的TiBN层。

7.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述最表面层的厚度为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。

8.(删除)

9.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层进一步包含一层以上的由：选自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、以及Si所构成的组中的至少一种元素与选自碳、氮、氧和硼所构成的组中的至少一种元素形成的化合物所构成的硬质层。

10.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层是通过化学气相沉积法形成的。

11.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含由Ti的氮化物构成的、并且厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下层。

12.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述基材由超硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、或氮化硅烧结体中的任意一者构成。

Claims (12)

1.一种刃口替换型切削刀片，其为具有基材以及形成于该基材上的涂层的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层由至少含有TiCN层的多个层构成，并且所述多个层中的至少一层被赋予了残余压应力，

所述TiCN层是以TiCN为主体的层，在X线衍射中，(422)面具有最高峰强度，同时(311)面具有第二高峰强度，并且(422)面的峰强度I(422)与(311)面的峰强度I(311)的峰强度比I(422)/I(311)为大于或等于1.1且小于或等于10。

2.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述TiCN层的(220)面的取向性指数TC(220)为小于或等于1。

3.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含所述TiCN层、最表面层和氧化铝层，

所述最表面层是构成所述涂层表面的层，该最表面层以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者为主成分，

所述氧化铝层是位于所述最表面层和所述TiCN层之间的、并且以Al₂O₃为主体的层，

所述最表面层、所述氧化铝层、以及所述TiCN层中的至少一层被赋予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的残余压应力。

4.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述最表面层由Ti的氮化物构成。

5.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述氧化铝层是以具有κ型晶体结构的Al₂O₃为主体的层。

6.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含在所述氧化铝层正下面的由TiB_xN_y(式中，x和y分别表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)构成的TiBN层。

7.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述最表面层的厚度为大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。

8.根据权利要求3所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述氧化铝层的厚度为大于或等于0.05μm且小于或等于2μm。

9.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层进一步包含一层以上的由：选自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、以及Si所构成的组中的至少一种元素与选自碳、氮、氧和硼所构成的组中的至少一种元素形成的化合物所构成的硬质层。

10.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层是通过化学气相沉积法形成的。

11.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述涂层包含由Ti的氮化物构成的、并且厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下层。

12.根据权利要求1所述的刃口替换型切削刀片，其中：

所述基材由超硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、或氮化硅烧结体中的任意一者构成。