CN105473261B - 表面被覆工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面被覆工具(100)，其具有基材(101)和形成在所述基材(101)上的覆膜(110)。所述覆膜(110)包括交替层(112)，其中一层或多层A层(112a)和一层或多层B层(112b)交替地层叠。所述A层(112a)和所述B层(112b)各自的厚度为2nm‑100nm。所述A层(112a)的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1)，所述B层(112b)的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1)，并且满足0.05<a‑d≤0.2和0.05<e‑b≤0.2。

Description

表面被覆工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及表面被覆工具及其制造方法。

背景技术

通过在基材的表面上形成覆膜从而改进了以耐磨损性为代表的各种特性的切削工具(表面被覆工具)是已知的[例如，参见日本专利未审查公开No.7-310174(专利文献1)、国际公开WO2006/070730(专利文献2)、日本专利未审查公开No.8-127862(专利文献3)和日本专利未审查公开No.2007-31779(专利文献4)]。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利未审查公开No.7-310174

专利文献2：国际公开WO2006/070730

专利文献3：日本专利未审查公开No.8-127862

专利文献4：日本专利未审查公开No.2007-31779

发明内容

技术问题

近年来，在工业制品中广泛地使用了所谓的“难切削材料”，如不锈钢、或钛合金。由于难切削材料是具有优异的机械性能和热性能的材料，因此在未来应用范围还有望会扩大。然而，这样的难切削材料字面上是难以切削的材料。一般难切削材料的热传导率低，此外，这样的材料与切削工具间的反应性(亲和性)高。因此，在难切削材料的切削中，由于工具温度的升高导致切削工具的磨损加速，并且难切削材料附着于工具的切削刃，这可能会导致附着断裂。

为了使切削工具在加工难切削材料时的使用寿命更长，已经提出了各种方案。例如，专利文献1提出了由氮化物或碳氮化物构成的覆膜，其中将Si添加至代表公知的覆膜组成的TiAlN中。然而，该覆膜具有单一组成，因此晶粒趋向于变粗。当在覆膜中产生裂纹时，裂纹迅速沿晶粒边界发展，这可能会导致断裂。

与此相比，专利文献2提出了一种包括交替层的覆膜，其中在交替层中含有Cr的AlCrN层和TiAlN层交替层叠。根据专利文献2，用由彼此类型不同的材料构成的单元层替代具有单一组成的层，并使这些单元层交替层叠，并且各单元层的厚度为0.005μm以上2μm以下，从而能够抑制裂纹的蔓延。然而，这样的交替层也有改善的空间。即，由于在交替层中彼此相邻的单元层由彼此不同类型的材料构成，因此位错倾向于累积于单元层之间的边界附近，并且在切削过程中可能发生剥离。

鉴于上述问题，本发明第一个目的在于提供一种表现出稳定的长寿命的表面被覆工具。

根据专利文献1和2所公开的技术，基材和覆膜之间的密合性不足。因此，例如，当对与工具用材料之间具有高亲和性的材料(例如不锈钢)进行切削时，会发生其中加工材料附着至工具的切削刃并且覆膜从基材上剥离下来的所谓的附着断裂，工具的使用寿命可能缩短。

关于基材和覆膜之间的密合性，专利文献3提出了在基材与覆膜之间设置中间层，该中间层的晶格延续至覆膜。根据该技术，在覆膜和中间层之间维持了良好的密合性。然而，基材和中间层之间的密合性并不一定足够高，在这一方面仍有改善的空间。

为了提高基材与覆膜之间的密合性，专利文献4提出了在基材(烧结合金)的表面上形成凸出状结合相，其形成平均高度H在0.05μm<H<0.50μm的范围内的大致三角形。然而，烧结合金中结合相所占的比例保持为至多约10％。因此，虽然暴露在基材表面上的全部结合相均能够与覆膜接合，但是密合作用有限。此外，在基材由复合材料(例如WC-Co系硬质合金)制成的情况下，许多不同材料混合存在于覆膜和基材彼此接触的界面处，不容易使所有这些材料实现理想的紧密接触。

如上所述，根据常规的技术，基材和覆膜之间的密合性不足，并且例如在将难切削材料(例如不锈钢或Inconel)用作加工材料时的严苛切削条件下，工具的使用寿命短。

鉴于这样的情况下，本发明的第二个目的在于提供一种表面被覆工具，其基材和覆膜之间具有优异的密合性，并且还能够承受严苛的切削条件。

问题的解决方案

根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在该基材上的覆膜，该覆膜包括其中一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层，该A层和该B层各自的厚度为2nm以上100nm以下，A层的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1)，B层的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1)，并且满足条件0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2。

根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在该基材上的覆膜，所述基材含有WC颗粒、以及含有Co并将WC颗粒相互结合在一起的结合相，该覆膜包括与基材接触的密合层、以及形成在密合层上的上部层，所述密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成上部层的元素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工具的制造方法包括以下步骤：制备基材，所述基材包含WC颗粒、以及包含Co并将WC颗粒相互结合在一起的结合相；以及在所述基材上形成覆膜，所述形成覆膜的步骤包括以下步骤：将选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着到基材的表面上，在基材上形成密合层，以及在密合层上形成上部层，该密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且形成密合层的步骤包括：通过使选自形成上部层的元素中的一种或多种元素沉积在经过附着步骤的表面上，从而生成碳化物、氮化物或碳氮化物的步骤，该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成上部层的元素中的一种或多种元素。

本发明的有益效果

根据上述内容，本发明提供了一种呈现出稳定的长寿命的表面被覆工具。

附图简要说明

图1是示出了根据本发明第一实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意性部分截面图。

图2示出了截面TEM图像，其示出了根据本发明第一实施方案的交替层的一个实例。

图3是示出了根据本发明第一实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性侧面透视图。

图4是示出了根据本发明第一实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性平面透视图。

图5是示出了根据本发明第二实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意性部分截面图。

图6示出了截面TEM图像，其示出了根据本发明第二实施方案的基材和覆膜之间的界面的一个实例。

图7是图6中所示密合层的放大图。

图8是示出了根据本发明第二实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性侧面透视图。

图9是示出了根据本发明第二实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性平面透视图。

图10是示出了根据本发明第二实施方案的表面被覆工具的制造方法的概要的流程图。

具体实施方式

[本发明实施方案的说明]

首先将对本发明的实施方案进行列举说明。根据以下[1]至[4]，主要实现了本发明的第一个目的。根据以下[5]至[13]，主要实现了第二个目的。

[1]根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜，所述覆膜包括一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层，所述A层和所述B层各自的厚度为2nm以上100nm以下，所述A层的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1)，所述B层的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1)，并且满足条件0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2。

首先，在表面被覆工具中，采用了Ti(钛)比Al(铝)占更大比例的组成作为全部交替层的平均组成。由此，可以抑制月牙洼磨损的发展。由于交替层包含少量的Si(硅)，所以交替层还具有抗氧化性。

此外，在表面被覆工具中，与常规技术不同的是，采用了将有意使组成彼此接近的两种单元层(A层和B层)中的各单元层的一层或多层交替地层叠的交替层。如上所述，由于A层和B层的构成元素是共同的，并且其组成比彼此接近，因此宏观观察时整个交替层好似具有单一组成。然而，A层和B层的平均组成满足关系式0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2。因此，在A层和B层之间存在微观上的边界(不会导致位错的程度的微小应变)，可通过该边界将A层和B层区分为不同的层。因此，虽然覆膜在宏观上看起来好似具有单一组成，但是当在覆膜中产生裂纹时，在A层和B层之间的边界处能够抑制裂纹的蔓延。由于A层和B层的平均组成彼此相近，因此晶格在A层和B层之间能够连续，并且能够确保A层与B层之间的密合性。

此外，将A层和B层各自的厚度限制为2nm以上100nm以下。因此，形成各A层和B层的晶粒是微细晶粒，晶界的面积增加，由此增强了在晶界处阻止塑性变形以及裂纹进展的作用。

通过以上作用的组合，使表面被覆工具展示出稳定的长寿命。在此，A层和B层的“平均组成”可以用透射电子显微镜-能量分散型X射线光谱法(TEM-EDX)测定。即，平均组成可以通过如下方式测定：用TEM观察覆膜的截面，同时在A层或者B层的任意5个点处对1nm的点直径进行TEM-EDX分析，并计算这5个点处获得的各元素的组成比的算数平均值。

[2]在上述[1]中，优选满足条件1≤λ_A/λ_B<5，其中λ_A表示A层的厚度，λ_B表示B层的厚度。由此，提高了交替层的耐月牙洼磨损性，并阻止了裂纹的蔓延。

[3]在上述[1]或[2]中，所述覆膜优选在其与基材接触的部分中进一步包括密合层，该密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且所述密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自Al和Si中的一种或多种元素。

由于覆膜所包括的密合层同时包含形成基材的元素以及形成覆膜的元素，并且还包含选自Cr(铬)、Ti、Zr(锆)和Nb(铌)中的一种或多种元素，因此基材和覆膜之间彼此牢固地结合，并且进一步延长了工具的使用寿命。

例如，可以通过如下所述的方法形成密合层。首先，利用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的离子对基材表面进行离子轰击处理，从而清洁基材表面，并且选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材表面上。此后，利用电弧离子镀等将用于形成交替层的元素(Ti、Al、Si、N)气相沉积至所述表面上。由此，能够形成作为覆膜的最底层(形成覆膜的层中最接近基材的层)的密合层。通过以这种方法形成密合层，尽管实际上密合层是厚度为0.5nm以上20nm以下的极薄的层，但是仍然能够抑制覆膜从基材上剥离下来。

[4]在上述[3]中，基材优选包含：含有WC的硬质颗粒、以及包含Co并将硬质颗粒彼此结合在一起的结合相，并且所述密合层包含含有W、Cr、Ti、Al和Si的氮化物。

由于基材包含上述WC(碳化钨)-Co(钴)系硬质合金，因此工具的耐磨损性得以提高。此外，在此，当密合层包含含有W、Cr、Ti、Al和Si的氮化物时，密合层与基材之间以及与交替层之间的化学亲和性均得以增强，并且基材和交替层能够牢固地彼此结合。

[5]根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜，所述基材含有WC颗粒、以及含有Co并将WC颗粒相互结合在一起的结合相，该覆膜包括与基材接触的密合层、以及形成在所述密合层上的上部层，所述密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且所述密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物包含：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成上部层的元素中的一种或多种元素。

该表面被覆工具在基材和覆膜之间具有优异的密合性，并且即使在严苛的切削条件下也能够展示出稳定的长寿命。在上述构造中，上部层是主要为了增强耐磨损性而形成的层。密合层形成于基材与上部层之间的边界处，并且同时包含形成基材的元素以及形成上部层的元素。因此，密合层能够展示出与基材之间以及与上部层之间的化学亲和性。在此，密合层还包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素。因此，尽管密合层是厚度为0.5nm以上20nm以下的极薄的层，但是密合层仍然能够使基材和上部层彼此牢固地结合在一起。虽然展示出这种作用的详细机理尚未明确，但是Cr、Ti、Zr和Nb易于与基材中所包含的WC颗粒实现强结合的趋势可能会有影响。

[6]在上述[5]中，上部层优选包含选自在日本使用的元素周期表中的IV族元素、V族元素和VI族元素、以及Si和Al中的一种或多种元素，以及选自C、N和O中的一种或多种元素。由于上部层包含这些元素，因此覆膜的耐磨损性得以提高。

[7]在上述[5]或[6]中，密合层优选包含碳氮化物，该碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb的一种或多种元素、W、以及选自Al和Si中的一种或多种元素。

由于密合层由包含这些元素的碳氮化物构成，所以进一步增强了基材和覆膜之间的密合性。

[8]在上述[5]至[7]中，优选的是，WC颗粒在基材的与密合层接触的部分中的占有率为80％以上。

通过在硬质WC颗粒上而非在软质结合相上形成密合层，提高了基材和覆膜之间的密合强度。

[9]在上述[5]至[8]中，优选的是，在覆膜的厚度方向上，包含于密合层中的C的组成比在由上部层侧朝向基材的方向上连续增加，并且在密合层与基材的界面处达到最大值，并且包含于密合层中的N的组成比在由基材侧朝向上部层的方向上连续增加，并且在密合层与上部层的界面处达到最大值。

由此，进一步增强了密合层与基材之间以及密合层与上部层之间的化学亲和性，并且进一步改善了密合性。

[10]在上述[5]至[9]中，优选地，WC颗粒的平均粒径为2μm以下，并且基材中的Co含量为10质量％以下。

当对这样的基材表面进行(例如)以下将详述的离子轰击处理时，除去了软质结合相，并使WC颗粒的晶界裸露出来。当在其上形成覆膜时，通过来自于WC颗粒的晶界的微细凹凸获得了所谓的锚定效应，由此基材和覆膜之间的密合性得以改善。

[11]本发明的一个实施方案还涉及表面被覆工具的制造方法，并且该制造方法包括以下步骤：制备基材，所述基材包含WC颗粒、以及包含Co并将WC颗粒彼此结合在一起的结合相；以及在所述基材上形成覆膜，所述形成覆膜的步骤包括以下步骤：将选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材的表面上，在基材上形成密合层，以及在密合层上形成上部层，该密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且形成密合层的步骤包括：通过使选自形成上部层的元素中的一种或多种元素沉积在经过附着步骤的表面上，从而生成碳化物、氮化物或碳氮化物的步骤，该碳化物、氮化物或碳氮化物包含：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成上部层的元素中的一种或多种元素。

通过这些步骤，能够制造这样的表面被覆工具，其在基材和覆膜之间具有优异的密合性，并且即使在严苛的切削条件下也能够展示出稳定的长寿命。

[12]在上述[11]中，附着步骤优选包括利用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的离子通过离子轰击处理来清洁所述表面的步骤。

由此，能够以简单的方式使选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材的表面，同时清洁基材的表面。

[13]在上述[11]或[12]中，形成覆膜的步骤优选进一步包括：在附着步骤之前，利用Ar离子通过离子轰击处理去除在基材的表面上露出的结合相中的至少一部分。

通过使用Ar(氩)离子预先进行离子轰击处理，从表面上除去了结合相。通过此后使用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的离子进行离子轰击处理，能够使这些元素与WC颗粒彼此牢固结合。由此能够改善基材和覆膜之间的密合性。

[本发明实施方案的详述]

尽管以下将对本发明的实施方案(以下也称为“本实施方案”)进行详细描述，但是本实施方案并不限于此。尽管以下将参照附图进行说明，但是在本说明书和附图中，相同或相应的要素附有相同的参考符号，将不再重复其相同的描述。

<第一实施方案>

根据第一实施方案，主要实现了第一个目的。

<表面被覆工具>

图1是示出了根据本实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意性部分截面图。参照图1，表面被覆工具100包括基材101和形成在基材101上的覆膜110。覆膜110包括交替层112，其中一层或多层A层112a和一层或多层B层112b交替地层叠。覆膜110还包括位于交替层112和基材101之间的密合层111。

表面被覆工具100通常为切削工具。表面被覆工具100(例如)可以是诸如钻头、端铣刀、铣削用或车削用替换型刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、丝锥、或曲轴针铣用刀片之类的切削工具。表面被覆工具100不限于切削工具，它可以广泛地应用于(例如)需要具有耐磨损性的工具或部件，如模具、轴承和耐磨工具。以下将对表面被覆工具100的各构成要素进行说明。

<基材>

基材101例如由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼烧结体或金刚石烧结体构成。其中，从耐磨损性以及与覆膜之间的密合性的角度来看，硬质合金是特别优选的。即，基材101优选包含：含有WC的硬质颗粒、以及含有Co并将硬质颗粒彼此结合在一起的结合相。只要由WC-Co系硬质合金构成的这种基材包含WC和Co，则其可以包含这些成分之外的其他任意成分。例如，除了WC和Co之外，可以加入Ti、Ta(钽)或Nb的碳氮化物，或者可包含在制造过程中不可避免地混入的杂质。此外，结构中可以包含游离碳或被称为“η层”的异常层。可以对基材101的表面进行改良。例如，可以在基材101的表面上形成脱贝塔(β)层。

WC-Co系硬质合金中的硬质颗粒(WC颗粒)的粒径优选为0.2μm以上2μm以下，且Co含量优选为4.0质量％以上13.0质量％以下。结合相(Co)比WC颗粒软。因此，当对基材101的表面进行以下将描述的离子轰击处理时，结合相被去除，并且WC颗粒暴露于表面处。在此，当硬质合金结构中的硬质颗粒的粒径以及Co含量占据上述范围时，会在基材101的表面中形成源于WC颗粒的晶界的微细凹凸。通过在这种表面上形成覆膜110，能够通过所谓的锚定效应提高覆膜110和基材101之间的密合性。在此，通过切割表面被覆工具，并利用扫描电子显微镜(SEM)或TEM观察切割面，以类似于将在下文中描述的测量覆膜厚度的方法来获得硬质颗粒的粒径。在此，将观察视野中的与硬质颗粒外接的圆的直径(相当于外接圆的直径)视作为硬质颗粒的直径。在此，硬质颗粒的粒径更优选为1.5μm以下。Co含量更优选为11.0质量％以下，特别优选为10.0质量％以下。

<覆膜>

覆膜110包括交替层112，其中一层或多层A层112a和一层或多层B层112b交替地层叠。覆膜110还包括位于交替层112和基材101之间的密合层111。在此，覆膜110应当至少仅设置在切削刃部分处，其没有必要均匀地覆盖基材101的全部表面。即，覆膜未部分地形成在基材101上的实施方案或者覆膜的层叠结构存在局部差异的实施方案也涵盖在本实施方案中。除了交替层112和密合层111之外，覆膜110还可包括其他层。例如，覆膜110还可以包括由TiN构成的着色层作为最外表面。

覆膜110的总厚度优选为0.5μm以上15μm以下。当厚度小于0.5μm时，覆膜厚度过小，并且工具的使用寿命可能会缩短。当厚度超过15μm时，在切削的初期阶段倾向于发生崩裂，工具的使用寿命可能会缩短。覆膜110的总厚度更优选为0.5μm以上10μm以下，特别优选为1.0μm以上5.0μm以下。形成覆膜110的晶粒期望为立方晶粒。当全部覆膜或其部分为非晶态时，覆膜的硬度降低，并且工具的寿命可能会缩短。

在此，通过切割表面被覆工具并利用SEM或TEM观察切割面，从而测定覆膜的厚度以及形成覆膜的各层的厚度。在观察中，优选利用聚集离子束(FIB)装置或截面抛光机(CP)对切割面进行表面处理。此外，利用附带TEM的能量色散X射线光谱仪，通过对切割面进行TEM-EDX分析可以获得各层的平均组成。

<交替层>

通过交替地层叠一层或多层A层112a和一层或多层B层112b而获得交替层112。A层112a和B层112b均由Ti、Al和Si的氮化物构成，然而，A层112a和B层112b至少在Ti和Al的组成比方面彼此不同。因此，在A层和B层之间的界面处产生轻微应变，并展示出了阻止裂纹蔓延的功能。此外，由于A层112a和B层112b的构成元素是共同的，因此层之间的密合性也很高。

只要在交替层112中交替层叠一层或多层A层112a和一层或多层B层112b即可，而对层叠的层数(A层和B层的总数)没有特别限制。层叠的层数(例如)为大约10至10000，优选大约10至5000，更优选大约20至500。交替层112的最外层可以是A层112a和B层112b中的任一者，类似地，交替层112的最底层(形成交替层的层中最接近基材的层)可以是A层112a和B层112b中的任一者，只要交替层112具有这样的层叠结构即可。

图2示出了本实施方案中交替层112的截面TEM图像(放大倍率为1200000)。图2示出了暗视野图像，其中大原子量元素(图2中的Ti)的组成比高的部分显示为白色。图2中的箭头示出了交替层112的层叠方向(厚度方向)。在图2中，能够观察到Ti的组成比高的部分(A层)和Ti的组成比低于A层的部分(B层)的交替层叠。

<A层>

A层112a的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1)。本实施方案在构思上与常规技术的区别在于采用了Ti比Al占更大比例的这种组成。通常认为，在TiAlN系覆膜中，Al的组成比更高将会得到更高的硬度，由此可以延长工具的使用寿命。本发明人通过对难切削材料(不锈钢或Inconel)的切削过程中的切削刃损伤形态进行详细分析，结果发现：通过提高Ti的组成比，能够改善抗月牙洼磨损性，工具的使用寿命反而更长。在此，根据本发明人进行的研究，更优选的是，Ti的组成比满足条件0.55≤a≤0.65，并且Al的组成比满足条件0.25≤b<0.40，由此工具使用寿命会更长。

此外，在本实施方案中，采用了包含少量Si的组成。由此能够使覆膜具有抗氧化性。Si的组成比限制为小于0.1，这是因为当Si的组成比为0.1以上时，晶格的应变较大，由此残留应力更高并且A层112a与B层112b之间的密合性降低。此外，当Si的组成比为0.1以上时，在覆膜110内会产生无定形SiN_x并且覆膜硬度可能会降低。

<B层>

B层112b的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1)。由于A层112a和B层112b由相同的元素构成，因此这二者之间的化学亲和性得以增强，并且确保了它们之间的密合性。此外，在本实施方案中，B层的组成和A层112a的组成之间满足关系式0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2。通过设置这样的差异，在A层112a和B层112b之间的边界处产生了不会导致位错(缺陷)的应变，并且能够阻止裂纹的蔓延。当“a-d”和“e-b”为0.05以下时，A层112a和B层112b在组成上彼此过于接近，与具有常规的单一组成的覆膜类似，不能够抑制裂纹的蔓延。另一方面，当“a-d”和“e-b”超过0.2时，彼此间的组成差异过大，这将导致A层112a和B层112b之间的密合性降低。根据本发明人的研究发现，“a-d”和“e-b”更优选满足关系式0.05<a-d≤0.1和0.05<e-b≤0.1，这是因为能够进一步提高抑制裂纹蔓延的作用并进一步提高层间的密合性。

A层112a和B层112b各自的平均组成可以通过前述TEM-EDX分析来确定。在此，多个A层112a中的每个层的平均组成可以是不同的，并且所有A层并非必须具有相同的组成，只要满足上述关系式(元素组成比)即可。即使组成不同，也获得了相同的功能。B层112b的情况也是如此。

只要A层112a和B层112b的平均组成满足上述关系式，则在各A层112a和各B层112b中，各元素的组成比也可以在覆膜的厚度方向上连续地或阶梯式地变化。特别地，A层112a中Ti的组成比“a”和B层112b中Ti的组成比“d”可以在覆膜的厚度方向上连续地或阶梯式地变化。通过连续地改变“a”和“d”，能够增强A层112a和B层112b之间的密合性。通过阶梯式地改变“a”和“d”，能够增强阻止交替层112中裂纹蔓延的作用。因此，在任何一种情况下都能够延长工具的使用寿命。

<A层和B层的厚度>

A层112a和B层112b各自的厚度为2nm以上100nm以下。当厚度小于2nm时，相邻的A层和B层相互混合，并且削弱了阻止A层和B层之间裂纹蔓延的作用。当厚度超过100nm时，A层和B层之间的密合性降低。当各层的厚度为2nm以上100nm以下时，能够抑制覆膜110的表面上产生的裂纹蔓延，并能增强层间的密合性。各层的厚度更优选为2nm以上80nm以下，进一步优选为2nm以上50nm以下，特别优选为2nm以上30nm以下，最优选为5nm以上20nm以下。通过将各层的厚度限制在上述范围内，晶粒是微细晶粒，晶界面积增大，并且提高了阻止晶界处塑性变形以及裂纹发展的作用。

在交替层112中，A层112a的厚度可以彼此不同或者全部基本相同。同样地，在交替层112中，B层112b的厚度可以彼此不同或者全部基本相同。

在此，表示A层112a和B层112b之间的厚度比的“λ_A/λ_B”优选满足条件1≤λ_A/λ_B<5，其中“λ_A”表示A层112a的厚度，且“λ_B”表示B层112b的厚度。由此，交替层112的耐月牙洼磨损性得以改进，并且能够有效地抑制裂纹的蔓延。“λ_A/λ_B”更优选满足条件1≤λ_A/λ_B≤2，这是因为上述作用能够进一步增强。

全部交替层112中的Ti的组成比优选为0.5以上0.7以下，且更优选为0.55以上0.65以下。由于全部交替层112中的Ti的组成比超过0.5，因此提高了耐月牙洼磨损性。在此，基于以下表达式计算全部交替层112中的Ti的组成比：

(全部交替层中Ti的组成比)＝(a×λ_A+d×λ_B)/(λ_A+λ_B).

从类似的观点出发，全部交替层112中Al的组成比优选为0.25以上且小于0.5，更优选为0.30以上0.40以下。在此，基于以下表达式计算全部交替层112中的Al的组成比：

(全部交替层中Al的组成比)＝(b×λ_A+e×λ_B)/(λ_A+λ_B).

<密合层>

覆膜110还可在与基材101接触的部分中包括密合层111。由于覆膜110包括密合层111，所以抑制了覆膜110的剥离，并进一步稳定了工具的使用寿命。密合层111优选与交替层112和基材101都具有化学亲和性。因此，密合层111优选由这样的碳化物、氮化物或碳氮化物构成，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有形成基材101的元素(在为硬质合金的情况中，该元素为W和/或C)和形成交替层112的元素(Al、Si和/或N)。此外，在本发明人进行的实验中发现，由于这种碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素，因此密合性显著提高。

在此，按照与上述测量A层112a和B层112b的平均组成中相同的方法，通过TEM-EDX分析也确认了密合层111包含这些元素。本发明人所进行的分析结果表明，当形成具有这样组成的密合层111时，在交替层112与密合层111之间的界面以及密合层111与基材101之间的界面处晶格是连续的，由此改善了密合性，这将会在以下描述的第二实施方案中进行详述。

形成密合层111的碳化物、氮化物或碳氮化物的具体例子可包括以下[a]至[j]。密合层111可包含一种或多种这些化合物。

[a]含有Ti和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WTiC、WTiN或WTiCN)

[b]含有Cr和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WCrC、WCrN或WCrCN)

[c]含有Ti、Cr和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WCrTiC、WCrTiN或WCrTiCN)

[d]含有Ti、Al和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WTiAlC、WTiAlN或WTiAlCN)

[e]含有Ti、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WTiSiC、WTiSiN或WTiSiCN)

[f]含有Ti、Cr、Al和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WCrTiAlC、WCrTiAlN或WCrTiAlCN)

[g]含有Ti、Cr、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WCrTiSiC、WCrTiSiN或WCrTiSiCN)

[h]含有Ti、Al、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WTiAlSiC、WTiAlSiN或WTiAlSiCN)

[i]含有Ti、Cr、Al、Si和W的碳化物、氮化物或碳氮化物(例如，WCrTiAlSiC、WCrTiAlSiN或WCrTiAlSiCN)

[j]通过用选自Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素代替上述[a]至[i]中的部分或全部Cr而获得的物质。

在此，当使用上述化学式表示化合物且对原子比没有特别限定时，将包含常规已知的所有原子比，并且该原子比不必仅限于化学计量范围内的原子比。例如，当化合物表示为“WTiCN”时，“W”、“Ti”、“C”和“N”之间的原子比不限于25:25:25:25，并包含所有常规已知的原子比作为其原子比。

密合层111的厚度优选为0.5nm以上20nm以下。当厚度小于0.5nm时，可能不会获得所期望的密合作用。当厚度超过20nm时，密合层111内的残留应力可能会变高，反而可能会发生剥离。密合层111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。

<密合层的非金属组成>

当基材101由硬质合金构成且密合层111由碳氮化物构成时，理想的是，在密合层111的厚度方向上，密合层111内包含的碳(C)的组成比在由交替层112侧朝向基材101的方向上连续增加，并在密合层111与基材101之间的界面处达到最大值；并且密合层111内包含的氮(N)的组成比在由基材101侧朝向交替层112侧的方向上连续增加，并在密合层111与交替层112之间的界面处达到最大值。在本实施方案中，硬质合金包含碳化物(WC)，并且交替层112包含氮化物(TiAlSiN)。因此，由于密合层111内C和N的组成比如上所述变化，因此密合层与基材101和交替层112之间的化学亲和性都得以提高。这样的组成比的变化能够通过(例如)以下方式来实现：在下述的阴极弧离子镀中，使N源气体和C源气体之间的流速比连续地改变，从而形成膜。

<密合层和基材之间的界面处的硬质颗粒的占有率>

在密合层111和基材101彼此接触的部分中，硬质颗粒(WC颗粒)的占有率优选为80％以上。由于在密合层111和基材101之间的界面处存在较少的软质结合相(Co等)，因此密合层111和基材101之间的密合力更高。在此，占有率本质上是指界面处的面积占有率，然而，在本文中如下所述在表面被覆工具的横截面中进行定义。即，沿着这样的平面切割表面被覆工具100，其中该平面包括垂直于表面被覆工具100的表面的法线，在所获得的切割面中，在密合层111与基材101之间的界面处设定长度为3μm的基准线，测定该基准线上密合层111与硬质颗粒间彼此接触的部分的总长度，并用该总长度除以基准线的长度(3μm)。将该数值的百分比定义为WC颗粒的占有率。更高的占有率是优选的，理想的值为100％。然而，考虑到生产性，其上限值例如为约99％。

<表面被覆工具的制造方法>

如上所述的本实施方案中的表面被覆工具可以通过如下方法来制造。该制造方法至少包括制备基材的步骤和形成覆膜的步骤。

<制备基材的步骤>

在该步骤中，制备基材101。例如，制备由硬质合金制成的基材作为基材101。可利用一般的粉末冶金法制备由硬质合金制成的基材。WC-Co系硬质合金(烧结体)例如通过如下方式获得：在球磨机中使WC粉末和Co粉末混合获得混合粉末，接着干燥，将干燥的混合粉末成形为预定形状从而获得成形体，然后烧结该成形体。然后，通过对烧结体进行预定的切削刃加工(如珩磨)从而能够制备由WC-Co系硬质合金制成的基材101。

<形成覆膜的步骤>

为了使覆膜110在难切削材料的切削过程中能够承受高温，覆膜110优选由高结晶度的化合物构成。为了研制出这种覆膜，本发明人对各种成膜技术进行了调查，结果发现物理气相沉积是优选的。物理气相沉积是指这样一种气相沉积法，其中通过利用物理作用将原料(蒸发源，也被称为靶)蒸发，并且使蒸发的原料附着到基材上。这样的物理气相沉积法(例如)包括阴极弧离子镀、平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。

在此，“阴极弧离子镀”是指这样一种气相沉积法，例如，其中基材和靶被布置在成膜装置内，并且高电流被施加至靶以产生电弧放电，从而使形成靶的元素发生电离并沉积到施加有负偏压的基材上。

“平衡磁控溅射”是指其这样一种气相沉积法，其中靶被布置在磁控电极上，该磁控电极具有形成平衡磁场的磁体，通过在基材和磁控电极之间施加高频电力以产生气体等离子体，在气体等离子体的作用下产生的气体的离子与靶发生碰撞，由靶释放出的原子被电离并沉积于基材上。“非平衡磁控溅射”是指这样一种气相沉积方法，其中由该磁控电极产生的磁场是非平衡磁场。

<清洁基材的表面的步骤>

在这些物理气相沉积法中，阴极弧离子镀的原料的电离比率高，因此是特别合适的。通过采用阴极弧离子镀作为成膜方法，能够在覆膜110形成之前对基材101的表面进行离子轰击处理。由此，能够去除基材101的表面上的软质结合相，并通过此后形成密合层111，能够提高之前所述的在密合层111与基材101彼此接触的部分中硬质颗粒的占有率。

<形成密合层的步骤>

在离子轰击处理中，通过使用含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的靶，能够在对基材101的表面进行清洁的同时，使这些元素附着到基材101的表面上。通过在已经附着有这些元素的表面上形成交替层112，能够形成具有优异密合能力的密合层111。在此，用于离子轰击处理且包含于密合层111中的元素优选至少包括Cr。由于Cr是可升华的元素，因此在离子轰击处理过程中很少产生熔融颗粒(液滴)，并且能够抑制基材101的表面粗糙化。

<形成交替层的步骤>

有多种方法可供用作为形成交替层112的方法，其中在交替层112中，一层或多层A层112a和一层或多层B层112b交替地层叠。可以使用的方法例如为：使用Ti、Al和Si的粒径会发生变化的烧结合金制靶的方法；使用多个具有彼此不同的组成的靶的方法；将成膜期间所施加的偏压设置为脉冲电压、或改变气体的流速的方法；以及调整成膜装置内用于保持基材的基材托架的旋转周期的方法。当然也可以通过这些操作的组合来形成交替层。

交替层112形成后，可对覆膜110赋予压缩残留应力，用以提高覆膜110的韧性。例如，可以利用喷丸、刷光、滚磨和离子注入法来提供压缩残留应力。

<第二实施方案>

根据第二实施方案，主要实现了第二个目的。

<表面被覆工具>

图5是示出了根据第二实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意性部分截面图。参照图5，表面被覆工具200包括基材201和形成在基材201上的覆膜210。该覆膜210包括与基材201接触的密合层211和形成在该密合层211之上的上部层212。

表面被覆工具200通常为切削工具。表面被覆工具200(例如)可以是诸如钻头、端铣刀、铣削用或车削用替换型刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、丝锥、或曲轴针铣用刀片之类的切削工具。表面被覆工具200不限于切削工具，它可以广泛地应用于(例如)需要具有耐磨损性的工具或部件，如模具、轴承和耐磨工具。以下将对形成表面被覆工具200的各要素进行说明。

<基材>

基材201由WC-Co系硬质合金构成，并包含WC颗粒和含有Co并将WC颗粒互相结合在一起的结合相。基材201可包含除这些成分之外的其他任何成分，只要其包含这些成分即可。例如，除WC颗粒和Co之外，可以添加Ti、Ta或Nb的碳氮化物，或者可包含在制造过程中不可避免地混入的杂质。此外，结构中可以包含游离碳或被称为“η层”的异常层。可以对基材201的表面进行改良。例如，可以在基材201的表面上形成脱贝塔(β)层。

基材201中的WC颗粒的粒径优选为0.2μm以上2μm以下，且Co含量优选为4.0质量％以上13.0质量％以下。结合相(Co)比WC颗粒软。因此，当对基材201的表面进行离子轰击处理时，结合相被去除，并且WC颗粒裸露于表面处。在此，当硬质合金的结构中的WC颗粒的粒径以及Co含量占据上述范围时，会在基材201的表面中形成源于WC颗粒的晶界的微细凹凸。通过在这种表面上形成覆膜210，能够通过所谓的锚定效应提高覆膜210与基材201之间的密合性。在此，WC颗粒的粒径更优选为1.5μm以下。Co含量更优选为11.0质量％以下，尤其优选为10.0质量％以下。

<覆膜>

覆膜210包括与基材201接触的密合层211和形成在密合层211上的上部层212。覆膜210应当至少仅设置在切削刃部分中，其不必均匀地覆盖基材201的全部表面。即，覆膜并非部分地形成在基材201上的实施方案或者覆膜的层叠结构存在局部差异的实施方案也涵盖在本发明中。除了密合层211和上部层212之外，覆膜210还可包括其他层。例如，覆膜210还可以包括由TiN构成的着色层作为最外层。

覆膜210的总厚度优选为0.5μm以上15μm以下。当该厚度小于0.5μm时，覆膜厚度过小并且工具的使用寿命可能会缩短。当厚度超过15mm时，在切削的初期阶段倾向于发生崩裂，工具的使用寿命可能会缩短。覆膜210的总厚度更优选为0.5μm以上10μm以下，特别优选为1.0μm以上5.0μm以下。形成覆膜210的晶粒期望为立方晶粒。当全部覆膜或其部分为非晶态时，覆膜的硬度降低，并且工具的使用寿命可能会缩短。

<上部层>

上部层212可以由单层或多个层的层叠来形成。上部层212在其全部或部分可包括：调制(modulation)结构，其中形成层的化合物的组成在厚度方向上发生周期性的改变；或者超多层结构，其中彼此组成不同的两种或多种类型的单元层周期性地重复层叠，其中各单元层的厚度为0.2nm以上20nm以下。上部层212可以为第一实施方案中所述的交替层。

覆膜内所包括的各层的组成可以通过SEM-EDX分析或TEM-EDX分析来获得。

上部层212优选包含选自在日本使用的元素周期表中IV族元素[Ti、Zr和Hf(铪)]、V族元素[V(钒)、Nb和Ta]和VI族元素[Cr、MO(钼)和W]、以及Si和Al中的一种或多种元素，以及选自C、N和O(氧)中的一种或多种元素。由此覆膜210的耐磨损性得以提高。

形成上部层212的化合物的具体实例可包括TiCN、TiN、TiCNO、TiO₂、TiNO、TiSiN、TiSiCN、TiAlN、TiAlCrN、TiAlSiN、TiAlSiCrN、AlCrN、AlCrCN、AlCrVN、AlN、AlCN、Al₂O₃、ZrN、ZrCN、ZrN、ZrO₂、HfC、HfN、HfCN、NbC、NbCN、NbN、Mo₂C、WC和W₂C。这些化合物也可以掺杂少量的其它元素。

如上所述，例如，当本说明书中给出符号“TiCN”时，“Ti”、“C”和“N”之间的原子比不局限为50:25:25，包括公知的所有原子比作为该原子比。

<密合层>

密合层211形成在与基材201接触的部分中。由于表面被覆工具200包括密合层211，所以抑制了覆膜210的剥离，并且与常规例子相比，延长了工具的使用寿命。密合层211的厚度优选为0.5nm以上20nm以下。当厚度小于0.5nm时，可能不会获得所期望的密合作用。当厚度超过20nm时，密合层211内的残留应力变高，反而可能会发生剥离。密合层211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。

密合层211包含这样的碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素；选自形成基材201的元素(W和C)中的一种或多种元素；以及选自形成上部层212的元素(Al、Si和N)中的一种或多种元素。由于密合层211包含基材201和上部层212的构成元素，因此密合层211对于基材201和上部层212均表现出了高的化学亲和性。此外，选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素与WC颗粒中所包含的碳之间实现了强键合，从而改善了耐剥离性。

通过本发明人的研究表明，当形成具有这样组成的密合层时，在基材201与密合层211之间的界面处、以及密合层211与上部层212之间的界面处，晶格是连续的，由此提高了密合性。图6示出了通过对本实施方案中表面被覆工具200的切割面处的基材201与覆膜210之间的界面进行拍照而获得的TME图像(放大倍率为1000000)。在图6中可以看出，在基材201(WC颗粒)和上部层212之间的界面处形成了厚度为0.5nm以上20nm以下的密合层211。图7是与图6中的密合层211相关的部分的局部放大图，图7的对比度经过了调整。由图7可以确认的是，在基材201和密合层211之间的界面处、以及密合层211和上部层212之间的界面处，晶格是连续的。由此，由于晶格在各界面处都是连续的，所以据认为本实施方案的密合性提高。

构成密合层211的碳化物、氮化物或碳氮化物的具体例子包括先前在第一实施方案中描述的化合物[a]至[j]。密合层211可包含一种或多种这些化合物。

根据本发明人的研究发现，在这些化合物中，通过这样一种碳氮化物可展现出尤其高的密合性，这种碳氮化物含有：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素；W；以及选自Al和Si中的一种或多种元素。在此，优选的是，形成密合层211的化合物的组成由下式表示，其中该化合物所具有的选自Cr、Zr和Nb中的一种或多种元素以M表示：

M_aTi_bAl_cSi_dW_eCN(其中0<a≤0.30，0≤b≤0.80，0≤c≤0.60，0≤d≤0.10，a+b+c+d+e＝1)。

<密合层的非金属组成>

当上部层212由氮化物构成且密合层211由碳氮化物构成时，在密合层211的厚度方向上，理想地，密合层211中包含的碳(C)的组成比在由上部层212侧朝向基材201的方向上连续增加，并在密合层211与基材201间的界面处达到最大值；密合层211中包含的氮(N)的组成比在由基材201侧朝向上部层212的方向上连续增加，并在密合层211与上部层212间的界面处达到最大值。由于基材201包含碳化物(WC)并且上部层212包含氮化物(TiAlSiN)，其中密合层211内的C和N的组成比如上所述变化，因此密合层211与基材201和上部层212间的化学亲和性均得以提高。这样的组成比的变化能够通过(例如)以下方式来实现：在阴极弧离子镀中，使N源气体和C源气体之间的流速比连续地改变，从而形成膜。

<密合层与基材之间的界面处的WC颗粒的占有率>

在密合层211和基材201彼此接触的部分中，WC颗粒的占有率优选为80％以上，更优选为90％以上。由于在密合层211和基材201之间的界面处存在较少的软质结合相(Co等)，因此密合层211和基材201之间的密合力更高。在此，如第一实施方案中所述的那样在表面被覆工具的横截面中定义占有率。更高的占有率是优选的，理想的值为100％。然而，考虑到生产性，其上限值例如为约99％。

<表面被覆工具的制造方法>

如上所述的本实施方案中的表面被覆工具可以通过如下方法来制造。图10是示出了根据本实施方案的表面被覆工具的制造方法的概要的流程图。参照图10，该制造方法包括基材的制备步骤(S100)和覆膜的形成步骤(S200)。覆膜的形成步骤(S200)包括使选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材表面上的步骤(S220)、密合层形成步骤(S230)、以及上部层形成步骤(S240)。以下将对各步骤进行描述。

<基材的制备步骤(S100)>

在该步骤中，制备包含WC颗粒和结合相的基材201，其中该结合相含有Co，并且将WC颗粒彼此结合在一起。可利用一般的粉末冶金法制备这种由WC-Co系硬质合金制成的基材。WC-Co系硬质合金(烧结体)例如通过如下方式获得：在球磨机中使WC粉末和Co粉末混合获得混合粉末，接着干燥，将干燥的混合粉末成形为预定形状从而获得成形体，然后烧结该成形体。然后，通过对烧结体进行预定的切削刃加工(如珩磨)，从而能够制备由WC-Co系硬质合金制成的基材201。

<覆膜的形成步骤(S200)>

为了使覆膜210在难切削材料的切削过程中能够承受高温，覆膜210优选由结晶度高的化合物构成。为了研制出这种覆膜，本发明人对各种成膜技术进行了调查，结果发现物理气相沉积是优选的。物理气相沉积是指这样一种气相沉积法，其中通过利用物理作用将原料(蒸发源，也被称为靶)蒸发，并且使蒸发的原料附着到基材上。这样的物理气相沉积法(例如)包括阴极弧离子镀、平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。

在这些物理气相沉积法中，阴极弧离子镀的原料的电离比率高，因此其是特别合适的。通过采用阴极弧离子镀，能够在同一个成膜装置内通过离子轰击处理来清洁基材，这有助于简化制造工艺并提高生产率。

<使元素附着至基材的表面的步骤(S220)>

在本实施方案中，在覆膜210形成之前，使形成密合层211的一部分的元素(选自Cr、Ti、Zr和Nb的一种或多种)附着至基材201的表面上。例如，利用包含于靶中的这些元素对基材201的表面进行离子轰击处理，从而对基材201的表面进行清洁，并且这些元素能够附着到基材201的表面上。即，附着步骤(S220)可包括利用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素，通过离子轰击处理对基材201的表面进行清洁的步骤(S221)。由此，能够从基材201的表面上去除软质结合相，可以提高表面处的WC颗粒的占有率，并因此也能够提高如上所述的在密合层211与基材201彼此相互接触部分中的WC颗粒的占有率。WC颗粒的占有率可以(例如)基于离子轰击处理的处理时间进行调节。

用于离子轰击处理中的元素优选至少包括Cr。由于Cr是可升华的元素，因此在离子轰击处理过程中很少产生熔融颗粒，并能够抑制基材201的表面粗糙化。

在本实施方案中，在附着步骤(S220)之前，也可以进行这样的步骤，即：利用Ar离子并通过离子轰击处理将在基材201的表面处露出的至少一部分结合相去除(S210)。由此能够进一步提高表面处的WC颗粒的占有率。然后，通过使选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材201的表面上，这些元素和WC颗粒之间倾向于牢固地彼此结合，并且进一步提高了密合层211的密合作用。

<密合层形成步骤(S230)>

在本实施方案中，选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材201的表面上，此后在该表面上形成密合层211。例如，通过利用阴极弧离子镀，在其上已附着有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的表面上沉积用于形成上部层的元素，由此形成密合层211。由此，能够在基材201上生成这样的碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素；选自形成基材201的元素中的一种或多种元素；以及选自形成上部层212的元素中的一种或多种元素。

<上部层的形成步骤(S240)>

然后，继续利用阴极弧离子镀使形成上部层212的元素沉积于密合层211上，从而形成上部层212。

在上部层212形成后，可对覆膜210施加压缩残留应力，用以提高覆膜210的韧性。例如，可以利用喷丸、刷光、滚磨和离子注入法来提供压缩残留应力。

通过上述步骤，能够容易地制造本实施方案中的表面被覆工具。

实施例

下文中将参照实施例对本发明的实施方案进行更加详细地描述，但是本实施方案不限于此。

<第一实施例>

第一实施例对应于第一实施方案。

<样品No.1-1至1-8和样品No.1-11至1-14的制造>

按照如下方式制造表面被覆工具(样品No.1-1至1-8和样品No.1-11至1-14)，并进行切削试验以评价工具的寿命。在此，样品No.1-1至1-8相当于实施例，样品No.1-11至1-14相当于比较例。

<制备基材的步骤>

首先，制备材料为“ISO P30级”、且形状为“SFKN12T3AZTN”的硬质合金制基材作为基材101。该硬质合金制基材包含：含有WC的硬质颗粒；以及含有Co并将硬质颗粒彼此结合在一起的结合相。在该硬质合金制基材中，WC颗粒的粒径为2μm，Co的含量为10质量％。

<形成覆膜的步骤>

图3是在覆膜形成中所使用的成膜装置(阴极弧离子镀装置)的示意性侧面透视图，图4是该装置的示意性平面透视图(从上方向下看)。参照图3，成膜装置1包括腔室2、用于将原料气体引入腔室2的气体引入口13、和用于将原料气体排出到外部的气体排出口12。腔室2连接真空泵(未示出)并被构造为能够通过气体排出口12对腔室2内的压力进行调节。

转台3设置在腔室2内，并且用于保持基材101的基材托架11连接至转台3。基材托架11电连接至偏置电源8的负极。偏置电源8的正极接地，并电连接至腔室2。参照图4，作为用于覆膜的金属原料的靶(电弧蒸发源5a、5b、5c和5d)被安装至腔室2的侧壁。再次参见图3，电弧蒸发源连接至直流电源7a和7b(它们是可变电源)各自的负极上。直流电源7a和7b各自的正极接地。

<样品No.1-1至1-4和1-14>

首先，将基材101安装到成膜装置1内的基材托架11上。然后，利用真空泵将腔室2内的压力降至1.0×10^-4Pa。此外，在旋转转台3的同时，利用成膜装置1内安装的加热器(未示出)将基材101加热至500℃。

通过气体引入口13引入Ar(氩)气，将偏置电源8的电压逐渐升高至-1000V，同时将腔室2中的压力保持在3.0Pa，并利用Ar离子通过离子轰击处理清洁基材101的表面。

然后，形成交替层112。设置电弧蒸发源(烧结合金靶)，以用于提供具有表1所示的组成的交替层，将作为反应气体的氮气引入到腔室2中，在旋转转台3并在如下所示的范围内改变各种条件的同时形成膜。

成膜后，通过进行TEM-EDX分析，从而证实了表1中所示的各层的组成。表1中“a的变化”或“d的变化”栏中的“连续”是指各层中的“Ti”的组成比“a”或“d”在覆膜的厚度方向上连续升高或连续降低，“阶梯式”是指该组成比在覆膜的厚度方向上阶梯式升高或阶梯式降低。

基于基材101的转速，调节交替层112中的A层112a和B层112b各自的厚度和层叠层的数目，并且当交替层112的厚度达到表1中所示的值时，停止向阴极的供电。

<形成交替层的条件>

基材温度：500℃(恒定)

反应气体压力：0.5Pa至10Pa(恒定或连续改变)

偏压：-30V至-800V(恒定或连续改变)

电弧电流：100A(恒定)

在此，“恒定或连续改变”是指：例如维持为“0.5Pa至10Pa”这一范围内的某一恒定值，或者在“0.5Pa至10Pa”这一范围内连续升高或降低。

<样品No.1-5至1-8>

如表1所示，在样品No.1-5至1-8中，除了交替层之外，还形成了密合层。即，如上所述，利用Ar离子通过离子轰击处理对基材101的表面进行清洁，此后进一步利用Cr离子进行离子轰击处理，从而使Cr离子附着到基材101的表面上。然后，形成如表1所示的交替层。成膜后进行的TEM-EDX分析结果表明，在交替层和基材之间的界面处形成了具有如表1所示组成的密合层。

<样品No.1-11至1-13>

如表1所示，在样品No.1-11至1-13中，形成了具有单一组成的覆膜。在表1中，为了方便起见，这样的工具中的覆膜的组成在A层的栏中示出。

<工具寿命的评价>

使用上述制造的各样品进行干式断续切削试验，以评价工具的寿命。切削条件如下所示，并测定直至达到工具寿命时的切削距离。表1示出了结果。在表1中，切削距离越长表示工具的寿命越长。

<切削条件>

加工材料：不锈钢(SUS 316)

切削速度：200m/min

进给速度：0.2mm/刀刃

切削量ap：2.0mm

切削量ae：50mm

在此，“切削量ap”是指轴向方向上的切削量，“切削量ae”是指半径方向上的切削量。

由表1可以看出，表面被覆工具(样品No.1-1至1-8)包括基材和形成在基材上的覆膜，覆膜包括一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层，A层和B层各自的厚度为2nm以上100nm以下，A层的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1)，B层的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1)，并且满足条件0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2，这些样品(样品No.1-1至1-8)比未满足这些条件的表面被覆工具(样品No.1-11至1-14)呈现出稳定的更长的寿命。

获得上述结果的原因可能是：由于样品No.1-1至1-8中A层和B层由相同的元素构成，所以层之间的密合性高，并且由于A层和B层之间的组成比不同，因此可以抑制A层和B层之间裂纹的蔓延。

由表1中可以进一步看出，其中形成有密合层的样品No.1-5至1-8的工具寿命长于不包括密合层的样品No.1-1至1-4，其中样品No.1-5至1-8中的密合层包含形成基材的元素(W)、形成交替层的元素(Ti、Al、Si和N)、以及Cr。其原因可能是由于密合层的存在抑制了覆膜本身的剥离，由此延长了工具的寿命。

<第二实施例>

<样品No.2-1至2-25和样品No.2-101至2-105的制造>

按照如下方式制造表面被覆工具(样品No.2-1至2-25和样品No.2-101至2-105)，并进行切削试验以评价工具的寿命。在此，样品No.2-1至2-23相当于实施例，样品No.2-24和2-25以及样品No.2-101至2-105相当于比较例。

<制备基材的步骤(S100)>

首先，制备材料为“ISO P30级”、形状为“SFKN12T3AZTN”的硬质合金制基材作为基材201。该硬质合金制基材包含WC颗粒、以及含有Co并将WC颗粒彼此结合在一起的结合相。表2示出了各样品中的WC颗粒的粒径以及结合相的含量。

表2

<形成覆膜的步骤(S200)>

图8是在覆膜形成中所使用的成膜装置(阴极弧离子镀装置)的示意性侧面透视图，图9是该装置的示意性平面透视图(从上向下看)。

参见图9，在成膜装置21内，将作为用于覆膜的金属原料的靶(电弧蒸发源25a、电弧蒸发源25b和电弧蒸发源25c)和用于安装基材201的旋转基材托架31安装在腔室22内。参见图8，直流电源27a与电弧蒸发源25a相连，直流电源27b与电弧蒸发源25b相连，并且偏置电源28与基材托架31相连。直流电源27a和直流电源27b是可变电源，并且电弧蒸发源25a和电弧蒸发源25b连接至直流电源的各负极。基材托架31电连接至偏置电源28的负极。偏置电源28的正极接地并电连接至腔室22。

腔室22设置有用于引入原料气体的气体引入口33、以及气体排出口32。可以利用真空泵(未示出)通过气体排出口吸入气体来调节腔室22内的压力。

首先，将基材201安装到成膜装置21内的基材托架31上。然后，利用真空泵将腔室22内的压力降至1.0×10^-4Pa。此外，旋转基材托架31的同时，利用成膜装置21内安装的加热器(未示出)将基材201加热至500℃。

<去除步骤(S210)>

通过气体引入口33引入Ar(氩)气，在将腔室22中的压力保持在3.0Pa的同时将偏置电源28的电压逐渐升高至-1000V，并利用Ar离子通过离子轰击处理将基材201的表面清洁15分钟。由此除去了在基材201的表面处露出的结合相。

<附着步骤(S220)>

通过向电弧蒸发源25c(表3中示出的金属靶)施加100A的电弧电流，由此对基材201的表面进行离子轰击处理，从而对基材201的表面进行进一步清洁，并使表3中所示的元素附着到表面上。在此，将处理的时间设定为如表示3所示的时间。如表3所示，对样品2-101和2-103至2-105未进行这种处理。

表3

<形成密合层和上部层的步骤(S230和S240)>

然后，形成密合层211。将用于提供具有表2所示组成的密合层211和上部层212的各烧结合金靶设置为电弧蒸发源25a和电弧蒸发源25b，向腔室22内引入氮气和甲烷气体作为反应气体，旋转基材托架31，同时在下述条件下形成膜，当上部层212的厚度达到表2中所示的值时，停止向阴极供给电流。在此，通过成膜后切割样品，并在切割面处进行TEM-EDX分析从而证实了表2所示的各层的组成。在表2中，对于不包括密合层的样品(No.2-101和2-103至2-105)，为了方便起见，在上部层的栏中示出了全部覆膜的组成和厚度。

<成膜条件>

基材的温度：500℃(恒定)

反应气体压力：2.0Pa(恒定)

偏压：-30V至-800V(恒定或连续改变)

电弧电流：100A(恒定)

在此，“恒定或连续改变”是指：例如维持为“-30V至-800V”这一范围内的某一恒定值，或者在“-30V至-800V”这一范围内连续升高或降低。

<覆膜的评价>

通过切割各样品，并利用TEM观察切割面，从而测量密合层211的厚度。表2示出了结果。利用TEM进一步观察在基材201与密合层211之间的界面处以及密合层211与上部层212之间的界面处晶格是否是连续的。表4示出了结果。表4中“晶格的连续性”一栏中的“连续”是指晶格在基材201与密合层211之间的界面处以及密合层211与上部层212之间的界面处是连续的，“不连续”是指在至少一个界面处晶格是不连续的。

对该切割面进行TEM-EDX分析，从而确认密合层211的组成，并确认在密合层的厚度方向上，C和N各自的组成是否是连续变化的。表4示出了结果。表4中“厚度方向上C、N量的变化”一栏中的“有”是指包含于密合层211内的C的组成比在由上部层212侧朝向基材201的方向上连续升高，并在密合层211与基材201间的界面处达到最大值；并且包含于密合层211内的N的组成比在由基材201侧朝向上部层212的方向上连续升高，并在密合层211与上部层212间的界面处达到最大值，“无”是指不存在这样的组成比的变化。

根据此前所描述的方法，在切割面中设置长度为3μm的基准线，并获得基材201中与密合层211接触的部分中的WC颗粒的占有率。表4示出了结果。

表4

<工具寿命的评价>

使用上述制造的各样品进行干式断续切削试验，以评价工具的寿命。切削条件如下所示，并测定直至达到工具寿命时的切削距离。表5示出了结果。在表5中，切削距离越长表示工具的寿命越长。

<切削条件>

加工材料：不锈钢(SUS 316)

切削速度：200m/min

进给速度：0.2mm/刀刃

切削量ap：2.0mm

切削量ae：50mm

在此，“切削量ap”是指轴向方向上的切削量，“切削量ae”是指半径方向上的切削量。

表5

由表2和5可以看出，表面被覆工具(样品No.2-1至2-23)包括基材和形成在基材上的覆膜，所述基材包含WC颗粒以及含有Co并将WC颗粒彼此结合在一起的结合相，该覆膜包括与基材接触的密合层、以及形成在密合层上的上部层，密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且该密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有：选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素；选自形成基材的元素中的一种或多种元素；以及选自形成上部层的元素中的一种或多种元素，该表面被覆工具(样品No.2-1至2-23)比不满足这些条件的表面被覆工具(样品No.2-24和2-25以及No.2-101至2-105)呈现出稳定的更长的寿命。

获得这种结果的原因可能是：由于存在具有上述特定组成的密合层，所以改进了覆膜与基材之间的密合性，并且抑制了覆膜的剥离。

通过以上例子证明，通过包括以下步骤的制造方法获得的表面被覆工具为在基材和覆膜之间具有优异的密合性的工具，并且即使在严苛的切削条件下也能经受住考验，其中所述步骤为：制备基材的步骤，其中所述基材包含WC颗粒以及包含Co并将WC颗粒彼此结合在一起的结合相；在所述基材上形成覆膜的步骤，形成覆膜的步骤包括：将选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着到基材表面上的步骤，在基材上形成密合层的步骤，以及在密合层上形成上部层的步骤，其中该密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且所述形成密合层的步骤包括通过使选自用于形成上部层的元素中的一种或多种元素沉积在经过所述附着步骤的表面上，从而生成这样的碳化物、氮化物或碳氮化物的步骤，其中该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素，选自用于形成基材的元素种的一种或多种元素，以及选自用于形成上部层的元素中的一种或多种元素。

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、而不是上述实施方案来限定，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。

参考符号列表

1,21成膜装置；2、22腔室；3转台；5a、5b、5c、5d、25a、25b、25c电弧蒸发源；7a、7b、27a、27b直流电源；8、28偏置电源11,31基材托架；12、32气体排出口；13、33气体引入口；100、200表面被覆工具；101、201基材；110、210覆膜；111、211密合层；112交替层；112a A层；112b B层；以及212上部层。

Claims (13)

1.一种表面被覆工具，包括：

基材；和

形成在所述基材上的覆膜，

所述覆膜包括一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层，

所述A层和所述B层各自的厚度为2nm以上100nm以下，

所述A层的平均组成表示为Ti_aAl_bSi_cN，其中0.5<a<0.8，0.2<b<0.4，0.01<c<0.1，a+b+c＝1，

所述B层的平均组成表示为Ti_dAl_eSi_fN，其中0.4<d<0.6，0.3<e<0.7，0.01<f<0.1，d+e+f＝1，并且

满足条件0.05<a-d≤0.2和0.05<e-b≤0.2。

2.根据权利要求1所述的表面被覆工具，其中

满足条件1≤λ_A/λ_B<5，

其中λ_A表示所述A层的厚度，λ_B表示所述B层的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆工具，其中

所述覆膜在与所述基材接触的部分中进一步包括密合层，

所述密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且

所述密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成所述基材的元素中的一种或多种元素、以及选自Al和Si中的一种或多种元素。

4.根据权利要求3所述的表面被覆工具，其中

所述基材包含含有WC的硬质颗粒、以及含有Co并将所述硬质颗粒相互结合在一起的结合相，并且

所述密合层包含含有W、Cr、Ti、Al和Si的氮化物。

5.一种表面被覆工具，包括：

基材；和

形成在所述基材上的覆膜，

所述基材含有WC颗粒、以及含有Co并将所述WC颗粒相互结合在一起的结合相，

所述覆膜包括与所述基材接触的密合层、以及形成在所述密合层上的上部层，

所述密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且

所述密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物，该碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成所述基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成所述上部层的元素中的一种或多种元素。

6.根据权利要求5所述的表面被覆工具，其中

所述上部层包含选自在日本使用的元素周期表中的IV族元素、V族元素和VI族元素、以及Si和Al中的一种或多种元素，以及选自C、N和O中的一种或多种元素。

7.根据权利要求5或6所述的表面被覆工具，其中

所述密合层包含碳氮化物，该碳氮化物含有选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素，W，以及选自Al和Si中的一种或多种元素。

8.根据权利要求5或6所述的表面被覆工具，其中

所述WC颗粒在所述基材的与所述密合层接触的部分中的占有率为80％以上。

9.根据权利要求7所述的表面被覆工具，其中

在所述覆膜的厚度方向上，

包含于所述密合层中的C的组成比在由所述上部层侧朝向所述基材的方向上连续增加，并且在所述密合层与所述基材的界面处达到最大值，

包含于所述密合层中的N的组成比在由所述基材侧朝向所述上部层的方向上连续增加，并且在所述密合层与所述上部层的界面处达到最大值。

10.根据权利要求5或6所述的表面被覆工具，其中

所述WC颗粒的平均粒径为2μm以下，并且

所述基材中的Co含量为10质量％以下。

11.一种制造表面被覆工具的方法，包括以下步骤：

制备基材，所述基材包含WC颗粒、以及含有Co并将所述WC颗粒相互结合在一起的结合相；以及

在所述基材上形成覆膜，

所述形成覆膜的步骤包括以下步骤：

附着步骤，即，将选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素附着至所述基材的表面上，

在所述基材上形成密合层，以及

在所述密合层上形成上部层，

所述密合层的厚度为0.5nm以上20nm以下，并且

所述形成密合层的步骤包括：通过使选自形成所述上部层的元素中的一种或多种元素沉积在经过所述附着步骤的表面上，从而生成碳化物、氮化物或碳氮化物的步骤，该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成所述基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成所述上部层的元素中的一种或多种元素。

12.根据权利要求11所述的制造表面被覆工具的方法，其中

所述附着步骤包括利用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素的离子通过离子轰击处理来清洁所述表面的步骤。

13.根据权利要求11或12所述的制造表面被覆工具的方法，其中

所述形成覆膜的步骤还包括：在所述附着步骤之前，利用Ar离子通过离子轰击处理去除在所述基材的所述表面上露出的所述结合相中的至少一部分的步骤。