CN106536100A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的表面被覆切削工具(10)包括基材(11)和形成在基材上的覆膜(12)。该覆膜包括α‑Al2O3层，所述α‑Al2O3层包含多个α‑Al2O3的晶粒，所述晶粒的粒界包括CSL粒界和一般粒界。前刀面(1)侧和后刀面(2)侧的所述α‑Al2O3层均示出(001)取向。在前刀面侧的α‑Al2O3层内，Σ3晶界的长度LR3超过Σ3‑29晶界的长度LR3‑29的80％，并且为全部粒界的总长LR的10％以上50％以下。在后刀面侧的α‑Al2O3层内，Σ3晶界的长度LF3超过Σ3‑29晶界的长度LF3‑29的80％，并且为全部粒界的总长LF的10％以上50％以下。长度LR3与长度LR3‑29之比LR3/LR3‑29小于长度LF3与长度LF3‑29之比LF3/LF3‑29。

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
具有形成在基材上的覆膜的表面被覆切削工具是常规使用的。例如，日本专利特开No.2006-198735(专利文献1)公开了一种具有以下覆膜的表面被覆切削工具，该覆膜包含其中Σ3-29晶界中的Σ3晶界的比例为60％至80％的α-Al2O3层。
日本国家专利公开No.2014-526391(专利文献2)公开了一种具有以下覆膜的表面被覆切削工具，该覆膜包含其中Σ3晶界的长度超过Σ3-29晶界长度的80％的α-Al2O3层。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.2006-198735
专利文献2：日本国家专利公布No.2014-526391
发明内容
技术问题
在包括由多晶α-Al2O3构成的α-Al2O3层的覆膜中，当该α-Al2O3层中所包括的晶界中的Σ3晶界的比例较高时，改善了以机械特性为代表的各种特性，由此改善了耐磨性和耐破损性。因而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，速度和效率变高，施加在切削工具上的负荷增大，并且切削工具的使用寿命不利地缩短。因此，需要进一步改进切削工具之上的覆膜的机械特性并且需要延长切削工具的使用寿命。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种表面被覆切削工具，该工具实现了覆膜机械特性的改进，并且延长了切削工具的使用寿命。
问题的解决方案
根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具具有前刀面和后刀面，并且包括基材以及形成于所述基材上的覆膜。所述覆膜包括α-Al2O3层，所述α-Al2O3层包含多个α-Al2O3的晶粒，并且所述晶粒的粒界包括CSL粒界和一般粒界。位于前刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，并且在位于前刀面侧的α-Al2O3层内，CSL粒界中的Σ3晶界的长度LR3超过Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％，并且为全部粒界的总长LR的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LR为长度LR3-29和所述一般粒界的长度LRG的总和。位于后刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，并且在位于后刀面侧的α-Al2O3层内，CSL粒界中的Σ3晶界的长度LF3超过Σ3-29晶界的长度LF3-29的80％，并且为全部粒界的总长LF的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LF为长度LF3-29和所述一般粒界的长度LFG的总和。长度LR3与长度LR3-29之比LR3/LR3-29小于长度LF3与长度LF3-29之比LF3/LF3-29。
本发明的有益效果
根据以上所述，覆膜的机械特性得以改进并且进一步延长了切削工具的使用寿命。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具的透视图。
图2是沿图1的II-II线截取得到的截面图。
图3是示出了具有经珩磨的切削刃棱线部分的表面被覆切削工具的截面图。
具体实施方式
[本发明实施方案的描述]
以下将初步列举和描述本公开的实施方案。
[1]根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具具有前刀面和后刀面，并包括基材以及形成于所述基材上的覆膜。所述覆膜包括α-Al2O3层，该α-Al2O3层包含多个α-Al2O3的晶粒，所述晶粒的粒界包括CSL粒界和一般粒界。位于前刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，并且在位于前刀面侧的α-Al2O3层内，所述CSL粒界中的Σ3晶界的长度LR3超过Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％，并且为全部粒界的总长LR的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LR为长度LR3-29和一般粒界的长度LRG的总和。位于后刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，并且在位于后刀面侧的α-Al2O3层内，所述CSL粒界中的Σ3晶界的长度LF3超过Σ3-29晶界的长度LF3-29的80％，并且为全部粒界的总长LF的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LF为长度LF3-29和一般粒界的长度LFG的总和。长度LR3与长度LR3-29之比LR3/LR3-29小于长度LF3与长度LF3-29之比LF3/LF3-29。该表面被覆切削工具实现了对覆膜机械特性的改进，并实现了更长的使用寿命。
[2]在所述表面被覆切削工具中，所述CSL粒界由Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界组成，长度LR3-29是位于前刀面侧的α-Al2O3层中的Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界的长度总和，并且长度LF3-29是位于后刀面侧的α-Al2O3层中的Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界的长度总和。
[3]优选地，所述α-Al2O3层的厚度为2μm至20μm。由此，最为有效地显示出了上述特性。
[4]优选地，所述α-Al2O3层的表面粗糙度Ra小于0.2μm。由此，工件材料和工具切削刃之间的粘着磨损得以抑制，因此切削刃的耐崩裂性得以改进。
[5]优选地，所述α-Al2O3层在距离覆膜的表面侧2μm以内的区域内包含压缩应力的绝对值为最大值的点，并且所述点处的压缩应力的绝对值小于1GPa。由此，抑制了由断续切削加工过程中发生的机械和热疲劳所导致的工具切削刃的破损，由此提高了切削刃的可靠性。
[6]优选地，所述覆膜包括位于基材和α-Al2O3层之间的TiCxNy层，并且所述TiCxNy层包含满足原子比关系0.6≤x/(x+y)≤0.8的TiCxNy。由此基材和α-Al2O3层之间的密着性得以改进。
[本发明实施方案的详述]
以下将参照附图1至3进一步详细地描述根据本发明实施方案(以下也称为“本实施方案”)的表面被覆切削工具。
<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夹在其之间。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的棱)(参见图1)、可以经过珩磨(具有R的锐边)(参见图3)、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>
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之间的均衡性特别优异，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>
根据本实施方案的覆膜12可包括其他层，只要其包括α-Al2O3层即可。其他层的例子可包括TiN层、TiCN层、TiBNO层、TiCNO层、TiB2层、TiAlN层、TiAlCN层、TiAlON层和TiAlONC层。对层叠的顺序没有特别的限制。
在本实施方案中，对“TiN”和“TiCN”或“TiCxNy”等化学式中的原子比值没有特别限定并非表示各元素的原子比值仅限于“1”，而是包括所有常规已知的原子比值。
根据本实施方案的这种覆膜12通过覆盖基材11从而具有改进各种特性如耐磨性和耐崩裂性的功能。
覆膜12的厚度适宜为3μm-30μm(3μm以上30μm以下；在本申请中用“-”表示的数值范围是指包含上限值和下限值的范围)并且更优选为5μm-20μm。当厚度小于3μm时，耐磨性可能不足，当厚度超过30μm时，当在断续加工过程中覆膜12与基材11之间受到较强的应力时，覆膜12可能会非常频繁地发生剥落或受损。
<α-Al2O3层>
根据本实施方案的覆膜12包括α-Al2O3层。覆膜12可包括一层α-Al2O3层，或包括两层以上的α-Al2O3层。
α-Al2O3层包含多个α-Al2O3(晶体结构为α型的氧化铝)的晶粒。即，该层由多晶α-Al2O3构成。通常而言，这些晶粒的晶粒度为约100nm至2000nm。在多个α-Al2O3的晶粒之间存在“晶界”。
晶界显著影响诸如晶粒生长等物质特性、蠕变特性、扩散特性、电特性、光学特性和机械特性。需要考虑的重要特性(例如)包括物质内的晶界的密度、界面的化学组成和晶体组织，即晶界平面取向和晶体取向差。特别地，重位点阵(CSL)晶界发挥着特殊的作用。CSL晶界(也简称为“CSL粒界”)的特征在于有多重度指数(multiplicity index)Σ，且被定义为在晶界处相互接触的两个晶粒的晶格位点的密度与当晶格彼此叠加时彼此重合的位点密度之比。普遍认为，在简单的结构中，具有低Σ值的晶界趋于具有低界面能和特殊的特性。因此，据信，对特殊晶界的比例以及由CSL模型推定的晶体取向差分布的控制对于陶瓷覆膜的特性以及改进这些特性的方法而言是重要的。
最近已出现被称为电子束背散射衍射(EBSD)的基于扫描电子显微镜(SEM)的技术，并且该技术用于陶瓷物质中的晶界的研究。EBSD技术基于对由背散射电子产生的Kikuchi衍射图案的自动分析。
在标定相应衍射图案后，确定目标物质的各晶粒的结晶取向。利用市售软件，能够通过EBSD相对容易地进行组织分析以及晶界特征分布(GBCD)的确定。可以通过将EBSD应用于界面，从而确定具有大界面的样本群体的晶界取向差。取向差分布通常与物质的处理条件相关。晶界取向差可以基于通常的取向参数(如欧拉角、角/轴对(angle/axis pair)、或罗德里格矢量)来获得。CSL模型被广泛地用作用于确定特性的工具。
根据本实施方案的α-Al2O3层中的晶界包括上述CSL粒界和一般粒界。CSL粒界由Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界组成。当利用EBSD观察时，即使除了Σ3晶界之外并未观察到其他任意一种或多种晶界时，这种情况也没有背离本实施方案的范围，只要其展示出本实施方案的效果即可。一般粒界是指除CSL晶界之外的其他晶界。因此，一般粒界是指在利用EBSD的观察中，从α-Al2O3晶粒的全部粒界中除去CSL粒界后剩余的粒界。
根据本实施方案的α-Al2O3层满足以下条件(1)至(4)。
(1)位于前刀面侧和后刀面侧的各α-Al2O3层示出(001)取向。
(2)在前刀面侧的α-Al2O3层内，Σ3晶界的长度LR3超过Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％，并且为全部粒界的总长LR的10％以上50％以下，其中所述总长LR为LR3-29和一般粒界的长度LRG的总和。
(3)在位于后刀面侧的α-Al2O3层内，Σ3晶界的长度LF3超过Σ3-29晶界的长度LF3-29的80％，并且为全部粒界的总长LF的10％以上50％以下，其中所述总长LF为LF3-29和一般粒界的长度LFG的总和。
(4)长度LR3与长度LR3-29之比LR3/LR3-29小于长度LF3与长度LF3-29之比LF3/LF3-29。
以下将对上述(1)进行说明。在此，在各表面侧的α-Al2O3层“示出(001)取向”是指这样的一种情况，即：相对于α-Al2O3层的表面(位于覆膜表面侧的表面)的法线方向，(001)面的法线方向在±20°之内的晶粒(α-Al2O3)的比例(面积比)为α-Al2O3层中的50％以上。具体而言，其是指这样一种情况，即：当利用配备EBSD的SEM观察位于前刀面侧和后刀面侧的各α-Al2O3层的垂直截面(与α-Al2O3层表面的法线方向平行的截面)，并利用颜色映射法对其结果进行图像处理时，在经过图像处理的各观察图像中，α-Al2O3层中的上述晶粒的面积比为50％以上。
对α-Al2O3层的厚度方向上的全部面积进行α-Al2O3层的颜色映射。即，对从位于α-Al2O3层的被覆表面侧的表面到位于α-Al2O3层的基材侧的表面的全部区域进行颜色映射。在一个观察图像中，可以观察到具有微米级厚度的α-Al2O3层的厚度方向上的全部区域。另一方面，仅应当对α-Al2O3层的面内方向(与厚度方向垂直的方向)上的任意区域进行颜色映射。
通常而言，α-Al2O3层的(001)面取向性越高，则α-Al2O3层的硬度越大。因此，满足(1)的根据本实施方案的α-Al2O3层能够抑制因加工过程中施加的冲击而导致的裂缝出现，并且能够显著改进切削工具的韧性，由此能够实现高度耐磨性。
“覆膜的表面侧”是指在α-Al2O3层的厚度方向上，与基材侧相对的一侧，并且当在α-Al2O3层上未形成其他层时，其是指α-Al2O3层的表面。
以下将对上述(2)和(3)进行说明。Σ3晶界被认为是在α-Al2O3的CSL晶界中具有最低粒界能，由此认为能够通过提高Σ3晶界在全部CSL晶界中所占的比例从而增强机械特性(特别是耐塑性变形性能)。因此，在本实施方案中，将全部CSL晶界表示为Σ3-29晶界，并且将位于前刀面侧的α-Al2O3层中的Σ3晶界的长度LR3限定为超过位于前刀面侧的α-Al2O3层中Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％，并且将位于后刀面侧的α-Al2O3层中的Σ3晶界的长度LF3限定为超过位于后刀面侧的α-Al2O3层中Σ3-29晶界的长度LF3-29的80％。
长度LR3是指在利用配有EBSD的SEM观察位于前刀面侧的α-Al2O3层而观察到的视野中，Σ3晶界的总长，并且长度LR3-29是指在利用配有EBSD的SEM观察位于前刀面侧的α-Al2O3层而观察到的视野中，Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界的长度总和。类似地，长度LF3是指在利用配有EBSD的SEM观察位于后刀面侧的α-Al2O3层而观察到的视野中，Σ3晶界的总长，并且长度LF3-29是指在利用配有EBSD的SEM观察位于后刀面侧的α-Al2O3层而观察到的视野中，Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界的长度总和。
长度LR3更优选为长度LR3-29的83％以上，进一步优选为85％以上。这也同样适用于长度LF3，并且长度LF3更优选为长度LF3-29的83％以上，进一步优选为85％以上。因而，数值优选尽可能的高，并且无须对其上限值加以限定。然而，从薄膜为多晶薄膜的观点出发，其上限值为99％以下。
由Σ3晶界的粒界能低显而易见的是，该Σ3晶界具有高的整合性，所以由Σ3晶界限定粒界的两个晶粒所表现出的行为类似于单晶或双晶的行为，并倾向于变粗。随着晶粒变粗，覆膜的特性(如耐崩裂性)降低，因此应当抑制粗化。因而，在本实施方案中，在位于前刀面侧和后刀面侧的α-Al2O3层内，通过将Σ3晶界的长度LR3和LF3分别限定为全部粒界总长LR和LF的10％以上50％以下，从而确保了上述抑制效果。
当Σ3晶界的各长度LR3和LF3超过各表面侧的全部粒界的总长LR和LF的50％时，晶粒不利地变粗，并且当该长度低于10％时，不能获得优异的机械特性。Σ3晶界的长度LR3和LF3更优选的范围为20％至45％，进一步优选的范围为30％至40％。
全部粒界是指CSL晶界和除了CSL晶界之外的一般晶界的总和。因此，前刀面侧的“全部粒界的总长LR”能够表示为“Σ3-29晶界的长度LR3-29与一般粒界的长度LRG之和”，并且后刀面侧的“全部粒界的总长LF”能够表示为“Σ3-29晶界的长度LF3-29与一般粒界的长度LFG之和”。
以下将对上述(4)进行说明。对于满足条件(4)的α-Al2O3层，在前刀面侧的α-Al2O3层内，CSL粒界中的Σ3晶界所占的比例相对较高，并且在后刀面侧的α-Al2O3层内，CSL粒界中的Σ3晶界所占的比例相对较低。因此，对于满足条件(2)和(3)、并且进一步满足条件(4)的α-Al2O3层，其在后刀面侧具有特别优异的耐塑性变形性，并且能够充分抑制因前刀面侧的Σ3晶界过多而导致的耐崩裂性等覆膜特性劣化。
在高速条件和低进给条件下的切削加工(以下也称为“高速和低进给切削加工”)中，后刀面侧的热负荷较高并且后刀面的磨损倾向于增加。满足条件(2)至(4)的α-Al2O3层能够承受施加于后刀面侧的负荷，由此在高速低进给切削加工过程中，特别是在后刀面侧处于严苛的切削条件下，也能够保持长的使用寿命。
比值LR3/LR3-29与比值LF3/LF3-29之差{(LR3/LR3-29)-(LF3/LF3-29)}优选为-1至-10。在这种情况下，前刀面侧的耐崩裂性的提高与后刀面侧的耐塑性变形性的提高之间的平衡性是优异的。该差值更优选为-4至-9。为了满足这样的差值，例如，Σ3晶界的长度LR3优选为Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％至95％，更优选为83％至95％，尤其优选为80％至90％。Σ3晶界的长度LF3优选为Σ3-29晶界的长度LF3-29的90％至99％，更优选为91％至99％。
在本实施方案中，可以按照以下方式确定α-Al2O3层是否满足条件(1)。
首先，根据后面将要描述的制造方法，在基材上形成α-Al2O3层。然后，将所形成的位于前刀面侧的α-Al2O3层(包括基材)切割，从而获得与α-Al2O3层垂直的截面(即，切割以裸露出切割面，该切割面是通过沿着包括α-Al2O3层表面的法线的平面切割α-Al2O3层而获得的)。此后，利用耐水砂纸(其包含SiC颗粒磨料作为磨料)对切割面进行抛光。
例如，以下述方式切割α-Al2O3层：利用蜡等将α-Al2O3层的表面(当在α-Al2O3层上形成有另一层时，则为覆膜的表面)固定为与足够大的保持用平板紧密接触，此后沿着与平板垂直的方向，利用具有旋转刀片的切削刀具切割α-Al2O3层(在使旋转刀片与平板尽可能彼此垂直的条件下切割)。能够切割α-Al2O3层的任意部分，只要沿着这样的垂直方向切割α-Al2O3层即可。
利用耐水性砂纸#400、#800和#1500进行连续抛光(耐水性砂纸的标号(#)表示磨料的粒度不同，标号越大表示磨料的粒度越小)。
然后，利用Ar离子通过离子研磨(ion milling)处理进一步将抛光表面平滑化。用于离子研磨处理的条件如下所述。
加速电压：6kV
照射角度：与α-Al2O3层的表面的法线方向(即，与切割面处的α-Al2O3层的厚度方向平行的直线方向)呈0°
照射时间：6小时
设置切割的位置，从而至少避免切削刃棱线部分3附近的部分。具体而言，参照图3，在接触前刀面1的表面(图3中以水平延长的虚线表示)与前刀面1发生相互接触的区域中存在外缘A1，在接触后刀面2的表面(图3中以竖直延长的虚线表示)与后刀面2发生相互接触的区域中存在外缘A2，将连接外缘A1和外缘A2的区域视为切削刃棱线部分3，并且将距离外缘A1(其为切削刃棱线部分3的端部)达0.2mm以上的位置(在图3中朝向左侧远离外缘A1的位置)作为截面的位置。类似地，在α-Al2O3层的后刀面2一侧的截面中，将距离外缘A2(其为切削刃棱线部分3的端部)达0.2mm以上的位置(在图3中，在朝向下方的方向上远离外缘A2的位置)作为截面的位置。
利用配有EBSD的SEM观察经平滑处理的抛光面。采用包括HKL NL02EBSD检测器的Zeiss Supra 35VP(由CARL ZEISS制造)作为SEM。通过将聚焦电子束单独定位至各像素，从而连续收集EBSD数据。
使样品表面(α-Al2O3层的经过平滑处理的截面)的法线相对于入射电子束倾斜70°，并且在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。在抛光面上，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。
然后，利用市售软件(由EDAX公司制造，商标名：“orientation Imagingmicroscopy Ver 6.2(取向成像显微镜术6.2版本)”)，计算各测定的像素的(001)面的法线方向与α-Al2O3层的表面(位于覆膜的表面侧的表面)的法线方向(即，与切割面处的α-Al2O3层的厚度方向平行的直线方向)之间所形成的角度，创建彩色图(color map)，其中选择了角度在±20°内的像素。
具体而言，利用软件中包含的“Crystal Direction MAP”方法，创建α-Al2O3层的表面的法线方向与各测定像素的(001)面的法线方向之间的公差(tolerance)为20°(方向偏差在±20°内)的彩色图。然后，基于该彩色图计算像素的面积比，并且将为50％以上的面积比定义为“位于前刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向”。
类似地，确定后刀面侧的α-Al2O3层是否示出(001)取向。当确认到位于任意表面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，即相对于α-Al2O3层的表面(位于覆膜的表面侧的表面)的法线方向，(001)面的法线方向在±20°内的晶粒(α-Al2O3)的比例为50％以上时，则α-Al2O3层满足条件(1)。
在本实施方案中，可以按照以下方式确定前刀面侧的α-Al2O3层以及后刀面侧的α-Al2O3层是否满足条件(2)和(3)，并且是否进一步满足条件(4)。
首先，以与上述类似的方法，切割前刀面侧的α-Al2O3层，从而获得与α-Al2O3层垂直的截面，此后类似地进行抛光和平滑处理。接着，如上所述，利用配有EBSD的SEM观察经过所述处理的切割面。
使样品表面(α-Al2O3层的经平滑处理的截面)的法线相对于入射电子束倾斜70°，并且在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。在抛光面上，对于相当于50×30μm平面区域的500×300个点，以0.1μm/步长逐步收集数据。
利用或不利用噪声过滤处理数据。然后，利用市售软件(由EDAX公司制造，商标名：“orientation Imaging microscopy Ver 6.2”)确定噪声过滤和晶界特征分布。基于由Grimmer(H.Grimmer,R.Bonnet,Philosophical Magazine A 61(1990),493-509)得到的数据对晶界特征分布进行分析。根据Brandon标准(ΔΘ<Θ0(Σ)-0.5，其中Θ0＝15°)，考虑了实验值与理论值之间的公差(D.Brandon Acta metall.14(1966),1479-1484)。将对应于任意Σ值的特殊晶界进行计数，并将该计数值表示为相对于全部晶界的比值。
如上所述，可以求得前刀面侧的α-Al2O3层内Σ3晶界的长度LR3、Σ3-29晶界的长度LR3-29以及全部粒界的总长LR。类似地，可以求得后刀面侧的α-Al2O3层内Σ3晶界的长度LF3、Σ3-29晶界的长度LF3-29以及全部粒界的总长LF。基于所求得的数值，能够确定前刀面侧的α-Al2O3层和后刀面侧的α-Al2O3层是否满足条件(2)和(3)，并确定α-Al2O3层是否进一步满足条件(4)。
<α-Al2O3层的厚度>
α-Al2O3层的厚度优选为2μm至20μm。由此可以展示出上述优异的效果。该厚度更优选为2μm至15μm，并且进一步优选为2μm至10μm。
当该厚度小于2μm时，可能无法充分展示出上述优异的效果。当该厚度超过20μm时，因α-Al2O3层和其他层(如下层)之间的线膨胀系数差所导致的界面应力增加，并且α-Al2O3晶粒可能会脱落。能够通过利用扫描电子显微镜(SEM)观察基材和覆膜的垂直截面，从而确定该厚度。
<α-Al2O3层的表面粗糙度>
α-Al2O3层的表面粗糙度Ra优选小于0.2μm。因此，不仅切屑与工具的切削刃之间的摩擦系数降低、耐崩裂性提高，而且还能够展示出稳定的切屑排出能力。表面粗糙度Ra更优选小于0.15μm，进一步优选小于0.10μm。由此，表面粗糙度Ra优选尽可能小，无须限定其下限值。然后，从覆膜会受到基材的表面组织影响的观点出发，其下限值为0.05μm以上。
在本申请中，表面粗糙度Ra是指由JIS B 0601(2001)定义的算数平均粗糙度Ra。
<α-Al2O3层的压缩应力>
α-Al2O3层优选在距离覆膜表面侧2μm以内的区域中包括压缩应力的绝对值为最大值的点，并且该点处的压缩应力的绝对值低于1GPa。因此，抑制了由于断续切削加工中所发生的工具切削刃的机械和热疲劳而导致的切削刃的意外破损，并且能够展示出节省人力/节省能量的效果。所述绝对值更优选低于0.9GPa，进一步优选为低于0.8GPa。虽然对该绝对值的下限没有特别的限制，但是从使耐磨性与耐破损性取得平衡的观点出发，该下限值为0.2GPa以上。
可以利用常规已知的使用X射线的sin2ψ法以及恒定穿透深度(constantpenetration depth)法测定本实施方案中的压缩应力。
<TiCxNy层>
根据本实施方案的覆膜可以包括位于基材和α-Al2O3层之间的TiCxNy层。该TiCxNy层优选包含满足原子比关系式0.6≤x/(x+y)≤0.8的TiCxNy。由此，基材和α-Al2O3层之间的密着性得以改进。
原子比更优选为0.65≤x/(x+y)≤0.75，进一步优选为0.67≤x/(x+y)≤0.72。当x/(x+y)小于0.6时，耐磨性可能不足，当其超过0.8时，耐崩裂性可能不足。
<制造方法>
根据本实施方案的表面被覆切削工具可以通过化学气相沉积(CVD)在基材上形成覆膜来制造。当在覆膜中还形成除了α-Al2O3层之外的其他层时，可以在常规已知的条件下，利用化学气相沉积设备来形成该层。可以按照如下所述方式形成α-Al2O3层。
采用AlCl3、HCl、CO2、H2S、O2和H2作为原料气体。将AlCl3、HCl、CO2、H2S和O2的混合量分别设为3体积％至5体积％、4体积％至6体积％、0.5体积％至2体积％、1体积％至5体积％和0.0001体积％至0.01体积％，并且采用H2作为余量气体。采用以下体积比：0.1≤CO2/H2S≤1、0.1≤CO2/AlCl3≤1和0.5≤AlCl3/HCl≤1。
使原料气体吹向设置于化学气相沉积设备内的反应容器中的基材，调节原料气体的注入方向，从而使基材的后刀面基本上与原料气体的注入方向垂直，并且使基材的前刀面基本上与原料气体的注入方向平行。化学气相沉积的各项条件包括温度为950℃至1050℃、压力为1kPa至5kPa、气体流速(气体总量)为50L/min至100L/min。将原料气体引入到反应容器内的速度设置为1.7m/sec至3.5m/sec。
一旦在上述条件下通过化学气相沉积形成α-Al2O3层后，即进行退火。退火条件包括温度为1050℃至1080℃、压力为50kPa至100kPa、时间为120分钟至300分钟。通过以20L/min至30L/min的流速分别供给H2和氩气(Ar)，从而获得该退火的气氛。
由此可以形成具有所需厚度的根据本实施方案的α-Al2O3层。特别地，通过将原料气体中O2的混合量设置在上述范围内，并调节原料气体的注入方向从而使基材的后刀面基本上与原料气体的注入方向垂直，并且基材的前刀面基本上与原料气体的注入方向平行，从而可形成满足(2)至(4)的α-Al2O3层。原因据推测如下所述。
O2比其他气体(如CO2)具有更高的反应性，并且它具有增加α-Al2O3的核的数目、或增加成膜速率的功能。O2还具有降低CSL晶界中的Σ3晶界比例的功能。这是因为，当成膜速率过高时，不太可能产生作为具有高整合性的晶界的Σ3晶界。
在与原料气体的注入方向基本上平行的前刀面侧，原料气体的流通密度趋向于相对较高，并且在与原料气体的注入方向基本上垂直的后刀面侧，原料气体的流通密度趋向于相对较低。即，原料气体在前刀面侧的停留时间短，而原料气体在后刀面侧的停留时间长。换言之，前刀面侧的原料气体供给频率大于后刀面侧的供给频率。
因此，显然，与后刀面侧的O2的吸附和扩散相比，前刀面侧的O2的吸附和扩散更频繁，这使得在前刀面侧，由于O2的作用而导致Σ3晶界减少，因而，后刀面侧的Σ3晶界比例高于前刀面侧。
成膜后如上所述进行退火可以防止杂质(如硫)残留在α-Al2O3层内。因此，根据本实施方案的制造α-Al2O3层的方法是特别优异的。实施例
尽管以下将参照实施例对本发明进行更详细地说明，但本发明并不局限于此。
<基材的制备>
制备下表1中所示的两种类型的基材：基材P和基材K。具体而言，通过如下方式获得基材：将具有表1中所示配制组成的原料粉末均匀混合，通过加压使粉末成形为预定形状，然后在1300℃至1500℃下烧结成形粉末1小时至2小时，从而获得了具有CNMG120408NUX形状(由住友电气株式会社制造)的硬质合金制基材。
表1
<覆膜的形成>
在上述获得的各基材的表面上形成覆膜。具体而言，将基材置于化学气相沉积装置中，通过化学气相沉积在基材上形成覆膜。将基材设置在反应容器内，使基材的前刀面基本上与气体的注入方向平行，并且使后刀面基本上与气体的注入方向垂直。
成膜条件如下表2和表3所示。表2示出了形成除α-Al2O3层之外的其他各层的条件，表3示出了形成α-Al2O3层的条件。表2中的TiBNO和TiCNO表示表5中的中间层(以下将详述)，其他成分对应于表5中除α-Al2O3层之外的其他层。TiCxNy层由TiCxNy构成，其中原子比x/(x+y)设定为0.7。
如表3所示，用于形成α-Al2O3层的条件有10个：A至G，以及X至Z，A至G对应于实施例中的条件，X至Z对应于比较例中的条件(常规技术)。在α-Al2O3层的形成过程中，将原料气体的引入速度设为2m/sec，并且在固定基材的同时，使用于注入原料气体的气体管以2rpm的速度旋转。仅将在条件A至G下形成的实施例中的α-Al2O3层在1050℃、50kPa、H2的流速设为20L/min、并且Ar的流速设为30L/min的条件下退火，退火时间如表3所示。
例如，形成条件A表示α-Al2O3层是按如下方式形成的：向化学气相沉积装置内供应由3.2体积％的AlCl3、4.0体积％的HCl、1.0体积％的CO2、2体积％的H2S、0.003体积％的O2以及余量的H2组成的原料气体，在压力为3.5kPa、温度为1000℃、流速(气体流量)为70L/min的条件下进行化学气相沉积，此后在上述条件下进行退火180分钟。
以相似的方式通过化学气相沉积法形成表2中示出的除了α-Al2O3层之外的各层，不同之处在于不进行退火。表2中的“余量”表示H2占据了原料气体的剩余部分。“气体总量”表示将标准状态(0℃和1大气压)下的气体视为理想气体，每单位时间引入到化学气相沉积设备内的总体积流量(也适用于表3中的α-Al2O3层)。通过适当地调节成膜时间从而调节各层的厚度(各层的成膜速率为约0.5微米/小时至2微米/小时)。
<表面被覆切削工具的制作>
在表2和3中的条件下，通过在基材上形成覆膜，制得下表4和表5中示出的实施例1至15和比较例1至6中的各表面被覆切削工具。
在表4和表5中，各覆膜的组成和厚度是利用SEM-EDX(扫描电子显微镜-能量分散型X射线光谱仪)确定的，并且α-Al2O3层中的Σ3晶界的长度、Σ3-29晶界的长度、以及全部粒界的总长是利用以上描述的方法确定的。利用上述方法确定位于前刀面侧和后刀面侧的α-Al2O3层内相对于α-Al2O3层的表面(位于覆膜表面侧的表面)的法线方向，(001)面的法线方向在±20°内的晶粒(α-Al2O3)的比例(％)。
例如，参照表4，实施例1中的表面被覆切削工具具有形成在基材上的总厚度为24.3μm的覆膜，其通过以下方式形成：采用如表1所示的基材P作为基材；在表2中的条件下，在基材P的表面上形成厚度为1.2μm的TiN层作为下层；在表2中的条件下，在下层上形成厚度为13.0μm的TiCxNy层；在表2中的条件下，在TiCxNy层上形成厚度为0.7μm的TiBNO层作为中间层；在表3中的形成条件A下，在中间层上形成厚度为8.6μm的α-Al2O3层；随后在表2中的条件下，形成厚度为0.9μm的TiN层作为最外层。表4中的空白区域表示没有相应的层。
参照表5，在实施例1中，在位于前刀面侧的α-Al2O3层内，Σ3晶界的长度LR3为Σ3-29晶界的长度LR3-29的89％，并且为全部粒界的总长LR的17％。在位于后刀面侧的α-Al2O3层内，Σ3晶界的长度LF3为Σ3-29晶界的长度LF3-29的94％，并且为全部粒界的总长LF的20％。在“(LR3/LR3-29)-(LF3/LF3-29)”一列中示出了从比值(LR3/LR3-29)(％)中减去比值(LF3/LF3-29)(％)而计算得到的值。由于该值为“-”，所以可以看出比值LR3/LR3-29小于比值LF3/LF3-29。α-Al2O3层在前刀面侧和后刀面侧示出了(001)取向。
由于在各比较例1至6中的α-Al2O3层是在根据常规技术的条件下形成的，而非根据本发明的方法形成，因此该α-Al2O3层由并没有示出本发明所示的特性的晶体组织形成(参见表5)。
表5
<切削试验>
对上述获得的表面被覆切削工具进行下述两种切削试验。以下切削试验属于高速低进给切削加工。
<切削试验1>
对于下表6中示出的实施例和比较例的表面被覆切削工具，测定在如下切削条件下直至后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm时的切削时间，并观察切削刃的最终损伤形式。其结果示于表6中。切削时间越长，表明耐磨性越好，工具的使用寿命越长。
<切削条件>
工件材料：SCM435圆棒的外周切削
圆周速度：400m/分钟
进给速度：0.1mm/转
切削深度：1.0mm
切削液：使用
表6
切削时间(分钟)
实施例1 19
实施例2 20
实施例3 23
实施例4 20
实施例5 21
实施例6 22
实施例7 16
比较例1 10
比较例2 13
比较例3 6
从表6中可以清楚地看出，与比较例中的表面被覆切削工具相比，实施例中的表面被覆切削工具均具有良好的耐磨性和耐崩裂性，并且工具的使用寿命更长。即，可以确认实施例中的表面被覆切削工具中的覆膜的机械特性得到改进。
<切削试验2>
对于下表7中示出的实施例和比较例的表面被覆切削工具，测量了在如下切削条件下直至月牙洼磨损量(Kt)达到0.20mm时的切削时间。其结果示于表7中。切削时间越长，表明耐磨性越好，工具的使用寿命越长。
<切削条件>
工件材料：S55C圆棒的外周切削
圆周速度：300m/分钟
进给速度：0.05mm/转
切削深度：2.0mm
切削液：使用
表7
切削时间(分钟)
实施例8 21
实施例9 16
实施例10 28
实施例11 22
实施例12 26
实施例13 24
实施例14 17
实施例15 14
比较例4 9
比较例5 12
比较例6 6
从表7中可以清楚的看出，与比较例中的表面被覆切削工具相比，实施例中的表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性，工具的使用寿命更长。即，可以确认实施例中的表面被覆切削工具中的覆膜的机械特性得到改进。
<α-Al2O3层的表面粗糙度Ra的效果的确认>
按照JIS B 0601(2001)对实施例1、2和11中的表面被覆切削工具中的α-Al2O3层的表面粗糙度Ra进行测定。其结果示于表8中。
然后，通过在以下条件下对各表面被覆切削工具的α-Al2O3层进行空气研磨(aerolap)处理，从而制造了实施例1A、2A和11A的表面被覆切削工具。按照与上述类似的方法测定表面被覆切削工具中α-Al2O3层的表面粗糙度Ra。其结果示于表8中。
<空气研磨处理条件>
介质：直径为大约1mm的弹性橡胶介质，其包含平均粒度为0.1μm的金刚石颗粒(由Yamashita Works株式会社制造，商品名：“MultiCone”)。
投射压力：0.5巴
投射时间：30秒
湿式/干式：干式
对于实施例1、1A、2、2A、11和11A中的表面被覆切削工具，测量了在如下切削条件下直至后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm时的切削时间。其结果示于表8中。切削时间越长，表明排出切屑的能力越稳定，切屑与工具的切削刃之间的摩擦系数越低。
<切削条件>
工件材料：SS400圆棒的外周切削
圆周速度：300m/分钟
进给速度：0.1mm/转
切削深度：1.0mm
切削液：未使用
表8
从表8中可以清楚的确认，与实施例1、2和11的表面被覆切削工具(其包括表面粗糙度Ra为0.2μm以上的α-Al2O3层)相比，实施例1A、2A和11A中的表面被覆切削工具(其包括表面粗糙度Ra小于0.2μm的α-Al2O3层)能够实现切屑与工具的切削刃之间的摩擦系数降低，并展示出稳定的切屑排出能力。
<提供至α-Al2O3层的压缩应力的效果确认>
对于实施例1、2和11的表面被覆切削工具，经证实，在α-Al2O3层中距离覆膜表面侧2μm以内的区域内，存在应力绝对值为最大值的点，并且测量了该点处的应力绝对值。其结果示于表9(“应力值”一列)中。利用X射线，使用sin2ψ法测定应力，表9中“应力值”一列中的数值表示绝对值，拉伸应力表示为“拉伸”，压缩应力表示为“压缩”。
然后，通过在以下条件下，对各表面被覆切削工具的α-Al2O3层进行湿式喷砂处理，从而制造实施例1B、1C、2B、2C和11B中的表面被覆切削工具。然后，对于各表面被覆切削工具，按照与上述类似的方式确认在α-Al2O3层中距离覆膜表面侧2μm以内的区域内，存在应力绝对值为最大值的点并且测量了该点处的应力绝对值。其结果示于表9(“应力值”一列)中。实施例1B与实施例1C之间的应力差、以及实施例2B和实施例2C之间的应力差是由湿式喷砂处理中投射压力之间的差异造成的。
<湿式喷砂处理的条件>
介质：氧化铝介质(φ50μm)
投射压力：1巴至2巴
投射时间：10秒
湿式/干式：湿式
对于实施例1、1B、1C、2、2B、2C、11和11B中的表面被覆切削工具，测量了在如下切削条件下直至工具破损时的切削时间。其结果示于表9中。切削时间越长，表明工具切削刃因断续切屑加工过程中发生的机械和热疲劳而破损的现象得到抑制，由此提高了切削刃的可靠性。
<切削条件>
工件材料：SUS304(60°×3个沟槽的外周切削)
圆周速度：250m/分钟
进给速度：0.05mm/转
切削深度：1.0mm
切削液：未使用
表9
应力值(GPa) 切削时间(分钟)
实施例1 0.7(拉伸) 12
实施例1B 0.8(压缩) 22
实施例1C 1.0(压缩) 20
实施例2 0.8(拉伸) 10
实施例2B 0.6(压缩) 20
实施例2C 0.2(压缩) 14
实施例11 0.6(拉伸) 15
实施例11B 0.8(压缩) 27
由表9的结果可以清楚地确认，在α-Al2O3层中距离覆膜表面侧2μm以内的区域内，存在应力绝对值为最大值的点，与该点处的应力为拉伸应力的情况相比，在该点处的应力为绝对值小于1GPa的压缩应力的情况中，抑制了工具切削刃因断续切屑加工过程中发生的机械和热疲劳而破损，因此提高了切削刃的可靠性。
尽管以上已经对本发明的实施方案和实施例进行了描述，然而最初还预想了上述各实施方案以及实施例中的特征适当组合及其各种变形。
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前刀面；2后刀面；3切削刃棱线部分；10工具；11基材；11a前刀面；11b后刀面；11c切削刃棱线部分；以及12覆膜。

Claims (6)

1.一种表面被覆切削工具，具有前刀面和后刀面，其包括：
基材；以及
形成于所述基材上的覆膜，
所述覆膜包括α-Al2O3层，
所述α-Al2O3层包含多个α-Al2O3的晶粒，
所述晶粒的粒界包括CSL粒界和一般粒界，
位于前刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，
在位于前刀面侧的所述α-Al2O3层内，所述CSL粒界中的Σ3晶界的长度LR3超过Σ3-29晶界的长度LR3-29的80％，并且为全部粒界的总长LR的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LR为所述长度LR3-29和所述一般粒界的长度LRG的总和，
位于后刀面侧的α-Al2O3层示出(001)取向，
在位于后刀面侧的所述α-Al2O3层内，所述CSL粒界中的Σ3晶界的长度LF3超过Σ3-29晶界的长度LF3-29的80％，并且为全部粒界的总长LF的10％以上50％以下，其中所述全部粒界的总长LF为所述长度LF3-29和所述一般粒界的长度LFG的总和，并且
所述长度LR3与所述长度LR3-29之比LR3/LR3-29小于所述长度LF3与所述长度LF3-29之比LF3/LF3-29。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中
所述CSL粒界由Σ3晶界、Σ7晶界、Σ11晶界、Σ17晶界、Σ19晶界、Σ21晶界、Σ23晶界和Σ29晶界组成，
所述长度LR3-29是位于前刀面侧的所述α-Al2O3层中的所述Σ3晶界、所述Σ7晶界、所述Σ11晶界、所述Σ17晶界、所述Σ19晶界、所述Σ21晶界、所述Σ23晶界和所述Σ29晶界的长度总和，并且
所述长度LF3-29是位于后刀面侧的所述α-Al2O3层中的所述Σ3晶界、所述Σ7晶界、所述Σ11晶界、所述Σ17晶界、所述Σ19晶界、所述Σ21晶界、所述Σ23晶界和所述Σ29晶界的长度总和。
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α-Al2O3层的厚度为2μm至20μm。
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α-Al2O3层的表面粗糙度Ra小于0.2μm。
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α-Al2O3层在距离所述覆膜的表面侧2μm以内的区域内包含压缩应力的绝对值为最大值的点，并且所述点处的压缩应力的绝对值小于1GPa。
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
所述覆膜包括位于所述基材和所述α-Al2O3层之间的TiCxNy层，并且
所述TiCxNy层包含满足原子比关系0.6≤x/(x+y)≤0.8的TiCxNy。
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