CN106660138A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

根据本发明的表面被覆切削工具(10)包括基材(11)和在基材上形成的覆膜(12)。该覆膜具有包含多个α‑Al₂O₃的晶粒的α‑Al₂O₃层(16)。所述α‑Al₂O₃层包括在厚度方向上位于基材侧并且厚度为1μm的下层部分(16B)，以及位于与所述基材侧相对的表面侧并且厚度为2μm的上层部分(16A)。对于沿着包括所述α‑Al₂O₃层的表面的法线的平面切割所述α‑Al₂O₃层而获得的截面，当通过FE‑SEM对所述截面进行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彩色图时，在所述彩色图中，在所述上层部分中，(001)面的法线方向相对于所述α‑Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为90％以上，并且在所述下层部分中，所述面积为50％以下。

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，并且该α-Al₂O₃层包括：位于厚度方向上的基材侧并且厚度为1μm的下层部分；以及位于与基材侧相对的表面侧并且厚度为2μm的上层部分。对于沿着包括α-Al₂O₃层的表面的法线的平面切割α-Al₂O₃层而获得的α-Al₂O₃层的截面，当通过场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)对α-Al₂O₃层的截面进行电子束背散射衍射(EBSD)从而指定晶粒的各自晶体取向，并且基于晶粒取向制作彩色图(color map)时，在该彩色图中，在上层部分中，相对于α-Al₂O₃层的表面的法线方向，(001)面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为90％以上；并且在下层部分中，相对于α-Al₂O₃层的表面的法线方向，(001)面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为50％以下。

发明的有益效果

根据上述内容，可以提高覆膜的机械性能并且能够进一步延长切削工具的使用寿命。

附图说明

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示出了基于α-Al₂O₃层的截面而制作的彩色图(color map)，其中该截面是通过沿着包括该覆膜表面的法线的平面切割覆膜时获得的。

图5为示出了在α-Al₂O₃层的厚度方向上的应力分布的示意图。

图6为示出了第二中间层在厚度上的形状的示意性截面图。

图7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“A至B”表示一个范围的上限值和下限值(即，A以上B以下)，并且当未指定A的单位而仅指定了B的单位时，则A的单位与B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，所述α-Al₂O₃层包括在厚度方向上位于基材侧并且厚度为1μm的下层部分，以及位于与所述基材侧相对的表面侧并且厚度为2μm的上层部分。对于沿着包括所述α-Al₂O₃层的表面的法线的平面切割所述α-Al₂O₃层而获得的截面，当通过场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)对所述截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彩色图时，在所述彩色图中，在所述上层部分中，(001)面的法线方向相对于所述α-Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为90％以上，并且在所述下层部分中，(001)面的法线方向相对于所述α-Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为50％以下。根据这种α-Al₂O₃层，位于表面侧的上层部分能显示出高耐磨性，并且位于基材侧的下层部分能显示出与基材的高密着性。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]在上述表面被覆切削工具中，优选地，所述α-Al₂O₃层的应力分布在厚度方向上发生变化，所述α-Al₂O₃层的表面侧具有压缩残余应力，并且所述α-Al₂O₃层的基材侧具有拉伸残余应力。在这种情况下，进一步延长了表面被覆切削工具的使用寿命。

[3]在[2]中所述的表面被覆切削工具中，优选地，所述应力分布具有：第一区域，其中由所述表面侧向着所述基材侧，所述压缩残余应力的绝对值连续增加：以及相对于所述第一区域位于所述基材侧的第二区域，其中在所述第二区域中，由所述表面侧向着所述基材侧，所述压缩残余应力的绝对值连续降低并转变为所述拉伸残余应力，并且随后所述拉伸残余应力的绝对值连续增加，并且所述第一区域和所述第二区域是连续的，其中所述压缩残余应力的绝对值为最大值的中间点介于所述第一区域和所述第二区域之间。这样的表面被覆切削工具在耐磨性和耐破损性之间实现了优异的均衡性。

[4]在[2]和[3]中所述的表面被覆切削工具中，优选地，所述α-Al₂O₃层的所述压缩残余应力的绝对值为1000MPa以下，并且所述α-Al₂O₃层的所述拉伸残余应力的绝对值为2000MPa以下。这样的表面被覆切削工具在耐磨性和耐破损性之间实现了优异的均衡性。

[5]在所述表面被覆切削工具中，优选地，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。由于所述TiCN层具有高的硬度，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。

[6]在[5]中所述的表面被覆切削工具中，优选地，所述覆膜包括位于所述第一中间层和所述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。

[7]在所述表面被覆切削工具中，优选地，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。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。

[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50nm至3000nm。

本发明实施方案中的α-Al₂O₃层16满足以下要求。α-Al₂O₃层16包括位于厚度方向上的基材侧并且厚度为1μm的下层部分、以及位于与基材侧相对的表面侧并且厚度为2μm的上层部分。对于沿着包括α-Al₂O₃层的表面的法线的平面切割α-Al₂O₃层而获得的α-Al₂O₃层的截面，当通过FE-SEM对该截面进行EBSD从而确定由α-Al₂O₃构成的晶粒的各自晶体取向，并且基于晶粒取向制作彩色图时，在该彩色图中，在上层部分中，相对于α-Al₂O₃层的表面的法线方向，(001)面的法线方向在±10°之内的晶粒(以下也称为“(001)面取向晶粒”)所占据的面积为90％以上；并且在下层部分中，(001)面取向晶粒所占据的面积为50％以下。

现在将根据图2至4说明制作彩色图的具体方法。图4所示的α-Al₂O₃层16的下表面16b为位于图3中的基材11侧的表面，即，与第二中间层15相接触的表面，并且上表面16a为位于与基材11侧相对的覆膜12表面侧的表面，即α-Al₂O₃层16的表面。当在α-Al₂O₃层16上进一步形成另一表面层时，则将与该表面层接触的表面定义为上表面16a。

首先，基于以下将描述的制造方法形成α-Al₂O₃层。然后，将所形成的α-Al₂O₃层(包括上述基材)切割以得到垂直于α-Al₂O₃层的截面(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16的表面(当在α-Al₂O₃层16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16的任意部分，只要沿着这样的垂直方向切割α-Al₂O₃层即可，然而如下文将描述的，优选切割切削刃棱线部分附近的部分。

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

然后，通过装配有EBSD的FE-SEM(产品名：“SU6600”，由Hitachi High-Technologies Corporation制造)来观察平滑处理后的截面(镜面)，并且对获得的观察图像进行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层的经过平滑处理的截面)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 Ver 6.2”，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，确定α-Al₂O₃层16的截面中所包含的各晶粒的晶体取向A。此时所确定的各晶粒的晶体取向A为当沿着与截面垂直的方向(图4中穿过纸面的方向)平面查看出现于α-Al₂O₃层16的截面中的各晶粒时所观察到的平面取向。然后，基于所得到的各晶粒的晶体取向A，确定在垂直于α-Al₂O₃层16的表面的方向上的各晶粒的平面取向。然后基于所确定的平面取向制作彩色图。可以用上述软件中所包括的根据“Crystal Direction MAP”的技术来制作彩色图。对在切割面中所观察到的α-Al₂O₃层16的整个区域制作彩色图。

在图4中，实线所包围的各阴影区域表示(001)面取向晶粒，实线所包围的各非阴影区域表示(001)面的法线方向为除前者之外方向的晶粒。即，在图4中，在α-Al₂O₃层16的表面的法线方向上的平面取向为(001)面以及偏离(001)面10°以下的面的晶粒被打上阴影，而在α-Al₂O₃层16的表面的法线方向上的平面取向并非前者的表面的晶粒未打阴影。图4中显示为黑色的区域认为是通过上述方法并未指定晶体取向的晶粒区域。

在图4中，由虚拟直线S1向着α-Al₂O₃层16的基材方向的线性尺寸(最短距离)d₁为2μm，这是上层部分16A的厚度。在图4中，由虚拟直线S2向着α-Al₂O₃层16的表面方向的线性尺寸(最短距离)d₂为1μm，这是下层部分16B的厚度。即，将α-Al₂O₃层16中由位于表面侧的表面向内延伸2μm的区域定义为上层部分16A，并且将α-Al₂O₃层16中由位于基材侧的表面向内延伸1μm的区域定义为下层部分16B。虚拟直线S1和S2是近似于由α-Al₂O₃层16的表面所限定的各边缘的直线。

在彩色图中，在上层部分16A中，相对于整个上层部分16A的面积，(001)面取向的晶粒的总面积的比例为90％以上，而在下层部分16B中，相对于整个下层部分16B的面积，(001)面取向的晶粒的总面积的比例为50％以下。

包括满足上述要求的α-Al₂O₃层16的工具10具有优异的机械性能和更长的使用寿命，下面将对照常规技术对此进行描述。

为了提高α-Al₂O₃层的机械特性，常规采用的方法通过控制位于α-Al₂O₃层的表面的各晶体的性质，从而提高α-Al₂O₃层的特性，并由此提高具有该α-Al₂O₃层的覆膜的特性。这些常规方法基于这样的一种观念，即：在切削过程中，接收到所施加的载荷最多的是α-Al₂O₃层的表面，并且通过控制这一部分的特性从而控制整个α-Al₂O₃层的特性。因此，α-Al₂O₃层厚度方向上的构成没有受到人们的重视。尤其是，由化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)制作的层的均匀性的提高被认为是有利的，因此厚度方向没有受到人们的重视。

然而，本发明人认为仅仅通过常规方式并不能实现在延长切削工具使用寿命方面上的突破。然后，本发明人关注于α-Al₂O₃层的厚度方向上的各晶体的性质并进行了各种研究，并且发现，在形成α-Al₂O₃层的晶体中，位于基材侧的晶体的性质显著地有助于α-Al₂O₃层的密着性，即，耐破损性。

本发明人基于以上发现进行了进一步研究，并发现：当α-Al₂O₃层中(001)面取向晶粒的面积比例增加时，α-Al₂O₃层的硬度本身倾向于升高，但是(001)面取向晶粒所占的面积过大时，则倾向于降低α-Al₂O₃层和其他层之间的密着性；并且通过改变α-Al₂O₃层中晶粒的取向，密着性相反地倾向于变高。

基于以上发现完成了根据本发明实施方案的工具10，并且该工具包括具有α-Al₂O₃层16的覆膜12，该α-Al₂O₃层16中的晶体结构在厚度方向存在特定的变化。具体而言，α-Al₂O₃层16具有厚度为2μm的上层部分16A和厚度为1μm的下层部分16B，其中上层部分16A中，(001)面取向晶粒所占据的面积为90％以上，并且下层部分16B中，(001)面取向晶粒所占据的面积为50％以下。

根据该α-Al₂O₃层16，在上层部分16A(其为在切削加工中易于出现裂纹的区域)中，可以抑制由于切削加工中施加的冲击所造成的裂纹的发生，可以显著提高切削工具的韧性，因此可以实现高耐磨性。可以实现与下层部分16B所接触的层之间的高密着性。因此，由于根据本发明实施方案的覆膜12同时具有优异的耐磨性和耐破损性这两种特性，所以与常规实例相比，工具10实现了更好的机械性能，并具有更长的使用寿命。

在上述的本发明实施方案中，上层部分16A中的上述面积比更优选为92％以上。对上层部分16A中的该面积比的上限值没有特别限定，并且其可以设定为(例如)100％。下层部分16B中的上述面积比更优选为45％以下。对下层部分16B中的所述面积比的下限值没有特别限定，并且其可以设定为(例如)0％。

[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3μm至22μm，并且进一步优选为3μm至10μm。

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。因此，当α-Al₂O₃层16在上层部分16A和下层部分16B之间具有中间层部分时，中间层部分的厚度优选为22μm以下。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。

在中间层部分中，彩色图中的取向晶粒的比例优选为50％以上。在这种情况下，可以抑制由于中间层的存在所带来的α-Al₂O₃层16的硬度的下降。中间层中的上述比例更优选为90％以上，进一步优选为92％以上。

[α-Al₂O₃层中的应力分布]

优选地，在本发明实施方案中，α-Al₂O₃层16具有在厚度方向上变化的应力分布，其中在α-Al₂O₃层16的上表面16a侧(即，表面侧)具有压缩残余应力，在α-Al₂O₃层16的下表面16b侧(即，基材侧)具有拉伸残余应力。这样的α-Al₂O₃层16能够在切削加工中被直接施加冲击的上表面16a侧具有更高的硬度，并且能够在与α-Al₂O₃层16的密着性相关的下表面16b侧具有更高的密着性。这是因为：上表面16a侧具有压缩残余应力，因而层的硬度倾向于较高；下表面16b侧具有拉伸残余应力，因而在下表面16b侧的α-Al₂O₃层16与基材11之间的应力差倾向于较小。

此处的“压缩残余应力”和“拉伸残余应力”是指存在于层中的内部应力(固有应变)的一种。压缩残余应力是指由“-”(减号)的数值(本文中，该数值的单位为“MPa”)所表示的应力。因此，大的压缩残余应力的概念是指数值的绝对值大，并且小的压缩残余应力的概念是指数值的绝对值小。拉伸残余应力是指由“+”(加号)的数值(本文中，该数值的单位为“MPa”)所表示的应力。因此，大的拉伸残余应力的概念是指该数值增加，并且小的拉伸残余应力的概念是指该数值减少。可以利用常规已知的使用X射线的sin²ψ法以及恒定贯入深度(constant penetration depth)法确定α-Al₂O₃层16中的应力分布。

图5示出了优选应力分布的一个实例。在图5的曲线图中，纵轴表示残余应力，横轴表示α-Al₂O₃层16的厚度方向上的位置。纵轴上的“-”值意味着在α-Al₂O₃层16中存在着压缩残余应力，“+”值意味着在α-Al₂O₃层16中存在着拉伸残余应力，数值“0”意味着在α-Al₂O₃层16中不存在应力。

参照图4和图5，优选地，α-Al₂O₃层16的厚度方向上的应力分布具有第一区域P₁和相对于第一区域位于下表面16b侧的第二区域P₂，其中在第一区域P₁中，由上表面16a侧(表面侧)向着下表面16b(基材侧)，压缩残余应力的绝对值连续增加，在第二区域P₂中，由上表面16a侧向着下表面16b，压缩残余应力的绝对值连续降低并转变为拉伸残余应力，并且随后拉伸残余应力的绝对值连续增加，并且第一区域和第二区域是连续的，其中压缩残余应力的绝对值为最大值的中间点P₃介于第一区域和第二区域之间。相对于下表面16b，中间点P₃的位置更接近于上表面16a。

由于α-Al₂O₃层16具有如上所述的应力分布，因此断续切削时α-Al₂O₃层16的耐磨性和耐破损性之间实现了更好的均衡性，这是因为：由α-Al₂O₃层16的上表面16a侧向着α-Al₂O₃层16施加的冲击被位于上表面16a与中间点P₃之间的区域充分吸收，并且在相对于中间点P₃的下表面16b侧显示出了高密着性。

特别地，在本发明实施方案的α-Al₂O₃层16中，位于上表面16a侧的上层部分16A的(001)面具有高取向性，并且取向晶粒所占的面积为90％以上。由于存在具有高压缩残余应力的这一部分，倾向于具有优异的耐磨性和韧性这两种性能。位于下表面16b侧的下层部分16B的(001)面具有低取向性，并且取向的晶粒所占的面积为50％以下。由于存在具有拉伸残余应力的这一部分，倾向于进一步提高该部分与其所接触的层之间的密着性。

在应力分布中，优选的是，压缩残余应力的绝对值为1000MPa以下(即，-1000MPa以上且小于0MPa)，并且拉伸残余应力的绝对值为2000MPa以下(即，大于0MPa且2000MPa以下)。在这种情况下，倾向于适当地显示出耐磨性和耐破损性这两种特性。

在应力分布中，优选的是，由上表面16a延伸至距离(直线距离)为α-Al₂O₃层16的厚度的5％至50％的位置这一范围具有压缩残余应力，该区域以外的区域具有拉伸残余应力。同样在这种情况下，耐磨性和耐破损性之间的均衡性也特别良好。该距离更优选设为5％至45％，并且进一步优选设为10％至40％。

中间点P₃的位置优选为与上表面16a之间的距离为α-Al₂O₃层16的厚度的0.1％至40％。在这种情况下，α-Al₂O₃层16的损伤形式是稳定的，并且例如，可以抑制突然断裂，并且可以减少工具10使用寿命的变化。例如，当α-Al₂O₃层16的厚度为3μm至10μm时，中间点P₃与上表面16a间的距离优选为0.5μm至2μm。中间点P₃处的压缩残余应力的绝对值优选为100MPa至900MPa，更优选为200MPa至890MPa，进一步优选为350MPa至890MPa。

[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6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6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d₃与最小厚度d₄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。表面层优选由TiC层、TiN层或TiB₂层形成。虽然α-Al₂O₃层16的上表面16a的(001)面具有高取向性，然而在这种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7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7，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α-Al₂O₃形成步骤和第二α-Al₂O₃形成步骤的CVD来形成根据本发明实施方案的α-Al₂O₃层16。特别地，通过进一步进行压缩残余应力赋予步骤可以形成具有上述应力分布的α-Al₂O₃层16。下面将依次说明第一α-Al₂O₃形成步骤、第二α-Al₂O₃形成步骤以及压缩残余应力赋予步骤。

首先，进行第一α-Al₂O₃形成步骤。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)，将流速比设置为满足CO₂/H₂S≥2。由此形成了具有上述取向的下层部分16B。CO₂和H₂S的优选流速分别为0.4升/分钟至2.0升/分钟和0.1升/分钟至0.8升/分钟，最优选分别为1升/分钟和0.5升/分钟。虽然对于CO₂/H₂S的上限值没有特别地限制，但从层厚度的均匀性的观点来看，上限值优选为5以下。

在第一α-Al₂O₃形成步骤中，控制成膜时间以形成厚度为至少1μm的α-Al₂O₃层，这是因为在第一α-Al₂O₃形成步骤中形成的α-Al₂O₃层中，最下部(与第二中间层15相接触的一侧定义为下侧)α-Al₂O₃层作为下层部分16B。因此，将第一α-Al₂O₃形成步骤中的成膜时间设置为5分钟以上。当成膜时间过长时，会形成硬度相对较低的厚层，就覆膜12的硬度来说这不是优选的。因此，将第一α-Al₂O₃形成步骤中的成膜时间设置为30分钟以下。

当在第一α-Al₂O₃形成步骤中形成厚度超过1μm的α-Al₂O₃层时，将厚度为1μm的最下层视为下层部分16B，并将除该部分以外的其他部分视为中间层部分(第一中间层部分)。

其次，进行第二α-Al₂O₃形成步骤。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)，将流速比设置为满足0.5≤CO₂/H₂S≤1。由此形成了具有上述取向的上层部分16A。

在第二α-Al₂O₃形成步骤中，控制成膜时间以形成厚度为至少2μm的α-Al₂O₃层，这是因为在第二α-Al₂O₃形成步骤中形成的α-Al₂O₃层中，最上部分(覆膜12的表面形成侧定义为上侧)的α-Al₂O₃层作为上层部分16A。因此，将第二α-Al₂O₃形成步骤中的成膜时间设置为30分钟以上。虽然对于成膜时间的上限值没有特别地限制，但是α-Al₂O₃层16过厚会导致晶粒脱落的可能。因此，第二α-Al₂O₃形成步骤中的成膜时间优选设置为500分钟以下。

当在第二α-Al₂O₃形成步骤中形成厚度超过2μm的α-Al₂O₃层时，将厚度为2μm的最上层视为上层部分16A，并将除该部分以外的其他部分视为中间层部分(第二中间层部分)。

在第一α-Al₂O₃形成步骤和第二α-Al₂O₃形成步骤中，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，并且可以采用H₂作为载气。在气体导入时，与上述类似，优选使气体导入管35旋转。

再次，由表面侧(上表面16a侧)对形成的α-Al₂O₃层16进行喷砂处理，从而赋予α-Al₂O₃层16以压缩残余应力(压缩残余应力赋予步骤)。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，从而制作了具有上述应力分布的α-Al₂O₃层16。

在喷砂处理中通过控制介质的喷射压力、喷射时间和喷射距离，可以控制应力分布中的中间点P₃的有无和位置(与上表面16a间的距离)。可以通过控制喷射时间从而控制具有压缩残余应力的区域，由此可以从上表面16a赋予在α-Al₂O₃层16的厚度方向上的所需区域以压缩残余应力。

当覆膜12具有在α-Al₂O₃层16的上表面16a上形成的表面层时，优选在表面层形成之后再进行压缩残余应力赋予步骤，这是因为，为了在压缩残余应力赋予步骤之后形成表面层，需要关闭CVD装置30并且应当将基材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。

当在α-Al₂O₃层的基材侧，(001)面取向晶粒所占的面积比例也较高时，则与α-Al₂O₃层的基材侧表面接触的层的组成等倾向于受到限制。当所接触的层为多晶时，则可能难以在该层上形成高度取向的α-Al₂O₃层。与此相反，由于本发明实施方案中的α-Al₂O₃层16具有其中(001)面取向晶粒的面积比例为50％以下的下层部分16B，因此不受上述限制。

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d₃与最小厚度d₄之差。特别地，在α-Al₂O₃层16中，可以通过控制原料气体中CO₂气体和H₂S气体的流量比(CO₂/H₂S)来改变厚度方向上的晶体取向。

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20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(85)

压力和温度：90hPa和860℃(MT-CVD)

(第二中间层：TiCNO层)

气体：TiCl₄(0.003)、CH₄(2.2)、N₂(6.7)、CO(0.5)、HCl(1.5)、H₂(40)

压力和温度：180hPa和1010℃

(α-Al₂O₃层)

(1)第一α-Al₂O₃形成步骤中的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α-Al₂O₃形成步骤中的CVD条件

气体：AlCl₃(3)、CO₂(1.0)、H₂S(1.4)、H₂(38)

压力和温度：80hPa和1000℃

(表面层：TiB₂层)

气体：TiCl₄(9)、BCl₃(1.0)、HCl(0.6)、H₂(30)

压力和温度：70hPa和1000℃

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0.15MPa的压缩空气(喷射压力)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20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，还适当改变了其它的条件。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，通过改变导入气体CO₂和H₂S的流速比(CO₂/H₂S)来控制上层部分和下层部分中的取向度。对于所有样品No.1至20，第一α-Al₂O₃形成步骤进行30分钟，然后第二α-Al₂O₃形成步骤进行预定时间。然后采用上述方法获得所形成的上层部分和下层部分中(001)面取向晶粒所占的面积比例(％)。表3示出了结果。在表3中“第一”栏和“第二”栏分别表示第一α-Al₂O₃形成步骤和第二α-Al₂O₃形成步骤中CO₂和H₂S的流速比。

表3

参见表3，在样品No.1至12中，在由上述方法制作的彩色图中，上层部分中(001)面取向晶粒所占的面积比例为90％以上，并且下层部分中(001)面取向晶粒所占的面积比例为50％以下。

样品No.13至20中的任何一个样品均不满足如下条件，即：上层部分中(001)面取向晶粒所占的面积比例为90％以上，并且下层部分中(001)面取向晶粒所占的面积比例为50％以下。

在样品No.1至20的制作中，还改变了喷砂处理的条件。表4示出了各样品的喷砂处理条件。通过上述sin²ψ方法测量了在α-Al₂O₃层的厚度方向上的深度(与上表面间的距离)不同的任意六个点处的残余应力。表4示出了距离上表面0.5μm的位置(表4中的“上表面侧”)处的残余应力、以及距离下表面0.5μm的位置(表4中的“下表面侧”)处的残余应力。测定各深度处的任意三个点的残余应力，并将其平均值定义为各深度处的残余应力。

基于残余应力的测定结果从而确定各样品中是否存在第一区域P₁和第二区域P₂，并对已证实第一区域P₁和第二区域P₂的样品中是否存在中间点P₃进行判断。基于测定结果，计算在α-Al₂O₃层的厚度方向上，具有压缩残余应力的区域的厚度相对于α-Al₂O₃层的厚度的比例(％)。表4示出了这些结果。

表4

参见表4，因为喷砂处理中的喷射压力较低，因此在样品No.9、10和17中不存在中间点P₃。即，在样品No.9、10和17中，观察到了这样的应力分布，即：由上表面侧(表面侧)向着下表面(基材)，残余应力由压缩残余应力逐渐变为拉伸残余应力。由于未对样品13至16进行喷砂处理，因此在α-Al₂O₃层中没有观察到上述的应力分布，并且拉伸残余应力仅仅存在于上表面侧和下表面侧两者之上。

在观察到了中间点P₃的样品No.1至8、11、12和18至20中，中间点P₃的位置距离α-Al₂O₃层的表面0.5μm。因此，表4中的“上表面侧”一栏中显示的数值表示各样品中α-Al₂O₃层中的压缩残余应力的最大值。

[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5所示。表5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5所示。表5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5

参见表5，与样品No.13至20相比，在样品No.1至12中确认到了更高的耐破损性和更高的耐磨性。在样品No.1至12中，在上层部分中，(001)面取向晶粒所占的面积比例为90％以上，并且在下层部分中，(001)面取向晶粒所占的面积比例为50％以下，而样品No.13至20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。

因为样品No.13和16的下层部分中的(001)面取向晶粒所占的面积比例为50％以下，因此预期其具有优异的耐破损性。然而，在评价1中，其破损率为100％。其损坏的方面并非是α-Al₂O₃层从基材上剥离下来，而是由α-Al₂O₃层自身破坏而引起的损坏，这是因为不存在与有助于赋予硬度的上层部分相对应的层。

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。

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；16 α-Al₂O₃层；16a 上表面；16b 下表面；16A 上层部分；16B 下层部分；30 CVD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 (7)

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，

所述α-Al₂O₃层包括在厚度方向上位于基材侧并且厚度为1μm的下层部分，以及位于与所述基材侧相对的表面侧并且厚度为2μm的上层部分，并且

对于沿着包括所述α-Al₂O₃层的表面的法线的平面切割所述α-Al₂O₃层而获得的截面，当通过场发射型扫描电子显微镜对所述截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彩色图时，

在所述彩色图中，

在所述上层部分中，(001)面的法线方向相对于所述α-Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为90％以上，并且

在所述下层部分中，(001)面的法线方向相对于所述α-Al₂O₃层的表面的法线方向在±10°之内的晶粒所占据的面积为50％以下。

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层的应力分布在厚度方向上发生变化，

所述α-Al₂O₃层的表面侧具有压缩残余应力，并且

所述α-Al₂O₃层的基材侧具有拉伸残余应力。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述应力分布具有

第一区域，其中由所述表面侧向着所述基材侧，所述压缩残余应力的绝对值连续增加，以及

相对于所述第一区域位于所述基材侧的第二区域，其中在所述第二区域中，由所述表面侧向着所述基材侧，所述压缩残余应力的绝对值连续降低并转变为所述拉伸残余应力，并且随后所述拉伸残余应力的绝对值连续增加，并且

所述第一区域和所述第二区域是连续的，其中所述压缩残余应力的绝对值为最大值的中间点介于所述第一区域和所述第二区域之间。

4.根据权利要求2或3所述的表面被覆切削工具，其中

所述α-Al₂O₃层的所述压缩残余应力的绝对值为1000MPa以下，并且所述α-Al₂O₃层的所述拉伸残余应力的绝对值为2000MPa以下。

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层之间的第一中间层，并且

所述第一中间层为TiCN层。

6.根据权利要求5所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于所述第一中间层和所述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。

7.根据权利要求1至6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。