CN107530784B - 表面被覆切削工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种表面被覆切削工具，包括基材以及形成在该基材的表面上的覆膜。该覆膜包括第一硬质覆层，该第一硬质覆层包含具有氯化钠型晶体结构的晶粒。该晶粒具有这样的层状结构，其中，由Al_xTi_1‑x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由Al_yTi_1‑y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替层叠成一层或多层。该第一层各自具有在0.76以上至小于1的范围内变化的Al的原子比x。该第二层各自具有在0.45以上至小于0.76的范围内变化的Al的原子比y。该原子比x与该原子比y之差的最大值为0.05≤x‑y≤0.5。彼此相邻的该第一层和该第二层的总厚度为3nm至30nm。

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及其制造方法。

本申请要求于2016年4月8日提交的日本专利申请No.2016-078296的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

Ikeda等人(非专利文献1)指出：当通过物理气相沉积法(PVD)制造Al原子比超过0.7的“AlTiN”或“AlTiCN”覆膜时，覆膜的层状结构变成纤维锌矿晶体结构，从而导致硬度降低。为了增加“AlTiN”或“AlTiCN”覆膜中的Al含量，Setoyama等人(非专利文献2)通过PVD制造了TiN/AlN超多层膜。然而，据报道，当制造各AlN层的厚度超过3nm的“AlTiN”或“AlTiCN”覆膜时，层状结构变成纤维锌矿晶体结构，从而导致硬度降低。已经进行了例如通过诸如利用化学气相沉积(CVD)增加Al的原子比之类的技术从而进一步提高切削性能方面的研究。

例如，日本未审查专利公开No.2014-129562(专利文献1)公开了这样一种方法：将AlCl₃气体、TiCl₄气体、NH₃气体、H₂气体以及N₂气体引入到压力为1.3kPa且温度为800℃的反应容器中，然后将反应容器以10℃/分钟的冷却速率冷却，直到基材的温度达到200℃。据说，利用该方法，可通过CVD形成具有这样的结构的硬质覆膜，其中具有面心立方晶格(fcc)结构的2nm厚的TiN与具有fcc结构的6nm厚的AlN交替层叠。

此外，日本未审查专利公开No.2015-193071(专利文献2)公开了包括由(Ti_{1- x}Al_xN)(C_yN_1-y)表示的复合氮化物层或复合碳氮化物层的硬质覆层，其中该层包含具有立方结构的晶粒，并且Ti和Al的组成沿着工具基材表面的法线方向周期性地改变。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利公开No.2014-129562

专利文献2：日本未审查专利公开No.2015-193071

非专利文献

非专利文献1：T.Ikeda等人，"Phase formation and characterization of hardcoatings in the Ti-Al-N system prepared by the cathodic arc ion platingmethod",Thin Solid Films 195(1991)99-110

非专利文献2：M.Setoyama等人，"Formation of cubic-AlN in TiN/AlNsuperlattice",Surface&Coatings Technology 86-87(1996)225-230

发明内容

根据本发明的一个方面的表面被覆切削工具包括基材和形成在该基材的表面上的覆膜。该覆膜包括第一硬质覆层，该第一硬质覆层包含具有氯化钠型晶体结构的晶粒。该晶粒具有这样的层叠结构，其中由Al_xTi_1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由Al_yTi_1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替层叠成一层或多层。该第一层各自具有在0.76以上至小于1的范围内变化的Al的原子比x。该第二层各自具有在0.45以上至小于0.76的范围内变化的Al的原子比y。该原子比x与该原子比y之差的最大值为0.05≤x-y≤0.5。彼此相邻的该第一层和该第二层的总厚度为3nm至30nm。在该晶粒中，当使用电子背散射衍射系统在平行于该基材的表面的法线方向的横截面中分析各该晶粒的晶体取向，从而确定作为该晶粒的晶面的(200)面的法线与该基材的表面的法线之间的夹角时，将该夹角为0度至45度的该晶粒以每5度为单位进行分类以形成9个组，计算出表示各组中包含的所述晶粒的面积总和的频数，包括该夹角为0度至20度的该晶粒的四个组的该频数的总和为所有组的该频数的总和的50％以上100％以下。

根据本发明的一个方面的制造表面被覆切削工具的方法包括准备基材的第一步骤，和通过化学气相沉积形成包括第一硬质覆层的覆膜的第二步骤。

附图说明

图1A为表面被覆切削工具中的覆膜的显微图像的照片图。

图1B为示出了图1A中的虚线框的放大视图的照片图。

图2为示出了AlTiN组成比沿图1B中的箭头方向的变化的图。

图3A为示出了图1A的放大视图的照片图。

图3B为示出了图3A的进一步放大视图的照片图。

图4示出了使用电子背散射衍射系统进行分析的第一硬质覆层中所包含的晶粒的夹角频数分布的一个例子的图。

图5示意性地示出了在根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法中使用的化学气相沉积(CVD)系统的图。

具体实施方式

[本发明要解决的问题]

在专利文献1中，由于硬质覆膜由其中具有fcc结构的TiN和具有fcc结构的AlN交替层叠的单一结构形成，因此硬质覆膜具有非常高的硬度和令人满意的耐磨性。然而，当将专利文献1中记载的硬质覆膜用于切削工具时，在高速切削时会发生崩裂，或者在一些被切削材料中产生突然的缺损，从而导致无法实现切削工具的长寿命。其原因尚未明确，但是据推测，由于具有fcc结构的TiN与具有fcc结构的AlN之间的界面处的晶格失配，因此，过度淬火在具有fcc结构的AlN中引起强的拉伸残余应力。

根据专利文献2，复合氮化物层或复合碳氮化物层具有立方结构，并且Ti和Al的组成沿着工具基材的法线方向周期性地变化，由此使得所得的硬质覆层具有高硬度和优异的韧性。然而，这种硬质覆层具有改进的空间，特别是在耐崩裂性方面。所需的长寿命还没有实现，并且对于这方面的开发有着强烈的需求。

因此，本发明的目的在于提供一种表面被覆切削工具及其制造方法，该表面被覆切削工具具有高硬度和优异的韧性，特别是表现出高的耐崩裂性。

[本发明的效果]

根据本发明，可以实现高硬度和优异的韧性，特别是高的耐崩裂性能。

[本发明的实施方式的说明]

首先，下面列出本发明的实施方式。

[1]根据本发明的一方面的表面被覆切削工具包括基材和形成在该基材的表面上的覆膜。该覆膜包括第一硬质覆层，该第一硬质覆层包含具有氯化钠型晶体结构的晶粒。该晶粒具有这样的层叠结构，其中由Al_xTi_1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由Al_yTi_1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替层叠成一层或多层。该第一层各自具有在0.76以上至小于1的范围内变化的Al的原子比x。该第二层各自具有在0.45以上至小于0.76的范围内变化的Al的原子比y。该原子比x与该原子比y之差的最大值为0.05≤x-y≤0.5。彼此相邻的该第一层和该第二层的总厚度为3nm至30nm。在该晶粒中，当使用电子背散射衍射系统在平行于该基材的表面的法线方向的横截面中分析各该晶粒的晶体取向，从而确定作为该晶粒的晶面的(200)面的法线与该基材的表面的法线之间的夹角时，将该夹角为0度至45度的该晶粒以每5度为单位进行分类以形成9个组，计算出表示各组中包含的所述晶粒的面积总和的频数，包括该夹角为0度至20度的该晶粒的四个组的该频数的总和为所有组的该频数的总和的50％以上100％以下。具有这样构成的表面被覆切削工具具有高的硬度以及优异的韧性，并且具有基于高硬度的高耐磨性以及基于优异韧性的高耐崩裂性，从而实现了长的使用寿命。

[2]在该表面被覆切削工具中，包括所述夹角为10度至20度的晶粒的两个组的频数的总和为所有组的频数的总和的30％以上100％以下。利用这种构成，可以实现更优异的耐崩裂性。

[3]该覆膜包括位于该基材和该第一硬质覆层之间的第二硬质覆层。该第二硬质覆层的厚度为0.01μm至0.5μm。利用这种构成，可以实现具有高硬度和高密着性的第一硬质覆层。

[4]该第一硬质覆层的厚度为1μm至15μm。利用这种构成，也可以在耐磨性和抗氧化性方面实现更优异的性能。

[5]通过纳米压痕得到的该第一硬质覆层的压痕硬度为28GPa以上38GPa以下。利用这种构成，当应用于切削工具时，切削刃的耐磨性可得以提高。

[6]该第一硬质覆层的压缩残余应力的绝对值为0.5GPa以上5.0GPa以下。利用这种构成，当应用于切削工具时，切削刃的韧性可得以改进，并且展示出更优异的耐崩裂性。

[7]根据本发明的一方面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和通过化学气相沉积形成包括第一硬质覆层的覆膜的第二步骤。利用该方法，可以制造这样的表面被覆切削工具，该表面被覆切削工具具有高的硬度和优异的韧性，并且特别展示出高的耐崩裂性。

[8]该第二步骤包括在改变AlCl₃气体和TiCl₄气体中的一者或两者的流量的同时使该晶粒生长的步骤。利用该方法，可以高产率地制造这样的表面被覆切削工具，该表面被覆切削工具具有高的硬度和优异的韧性，并且特别展示出高的耐崩裂性。

[本发明的实施方案的详细说明]

下面将描述实施方案。在下面的实施方案的描述中使用的附图中，相同的附图标记表示相同的部分或相应的部分。

如在本说明书中所使用的，“A至B”形式的表述是指范围的上限和下限(换言之，A以上B以下)，并且在没有描述A的单位而仅描述B的单位的情况下，A的单位和B的单位相同。当在本说明书中通过化学式表示化合物时，除非指定特定的原子比，否则包括所有常规已知的原子比，并且实施方案不必局限于化学计量范围内的那些原子比。例如，在“TiAlN”的描述中，TiAlN中的原子数比不限于Ti:Al:N＝0.5:0.5:1，并且包括所有常规已知的原子比。这适用于“TiAlN”以及其他化合物的描述。在本实施方案中，诸如钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)和铬(Cr)等的金属元素以及诸如氮(N)、氧(O)或碳(C)等的非金属元素不必构成化学计量组成。

<<表面被覆切削工具>>

根据本实施方案的表面被覆切削工具包括基材和形成在该基材的表面上的覆膜。优选地，覆膜覆盖基材的全部表面。然而，以下情况也不脱离本发明的范围：基材的一部分未被该覆膜覆盖，或者基材的一部分被具有部分不同构成的覆膜覆盖。

根据本实施方案的表面被覆切削工具具有高的硬度以及优异的耐磨性，并且具有基于高硬度的高耐磨性以及基于优异韧性的高耐崩裂性，从而实现了长的使用寿命。因此，本实施方案的表面被覆切削工具能够适合用作诸如钻头、端铣刀、钻头用切削刃替换型切削刀片、端铣刀用切削刃替换型切削刀片、铣削用切削刃替换型切削刀片、车削用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削工具、铰刀和丝锥之类的切削工具。

<<基材>>

可以使用常规已知作为这种基材的任何基材。例如，硬质合金(例如，包括WC基硬质合金、以及包含WC和Co或另外包含Ti、Ta和Nb的碳氮化物的硬质合金)、金属陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等构成)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)、立方晶体氮化硼烧结体以及金刚石烧结体中的任何一者是优选的。

在这些基材当中，优选硬质合金，特别是WC基硬质合金或金属陶瓷(特别是TiCN基金属陶瓷)。这些基材在高温下的硬度和强度之间的平衡方面是特别好的，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。当使用WC基硬质合金作为基材时，其结构可以包括游离碳和称为η相的异常层中的一者或两者。

当表面被覆切削工具为(例如)切削刃替换型切削刀片时，基材可以包括具有断屑器或不具有断屑器的基材。切削刃棱线部分可呈锐边(前刀面和后刀面彼此相交的棱)、珩磨(通过加工锐边以使其具有圆形)、负刃带(negative land)(斜削(beveling))、以及珩磨与负刃带的组合中的任意一种形状。

<<覆膜>>

在本实施方案中，覆膜包括第一硬质覆层，该第一硬质覆层包含具有氯化钠型晶体结构的晶粒。可以通过使用X射线衍射仪(例如，商品名：“SmartLab”，由RigakuCorporation制造)进行分析来观察包含在第一硬质覆层中的晶粒的氯化钠型晶体结构。图1A和图1B示出了本实施方案中的覆膜的实例(STEM图像)。

<第一硬质覆层>

(晶粒的层叠结构)

第一硬质覆层中包含的晶粒具有层叠结构，其中由AlxTi1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由AlyTi1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替地层叠成一层或多层。第一层中的Al的原子比x在各第一层中在0.76以上至小于1的范围内变化，并且第二层中的Al的原子比y在各第二层中在0.45以上至小于0.76的范围内变化。换言之，第一硬质覆层中包含的晶粒具有这样的层叠结构，其中Al的原子比保持在高比例并变化的第一层、以及相对于该第一层Al的原子比保持在较低的比例并变化的第二层交替地布置。

更具体而言，如图1A所示，第一硬质覆层中包含的各晶粒为AlTi的氮化物或碳氮化物的同一结构(homo-structure)，其中Al的原子比在该同一结构的内部中变化。优选地，该变化是周期性的，并且是连续的或阶梯式的。因此，如图1B所示，在第一硬质覆层中包含的晶粒中，在预定界面处发生微小变形，从而形成层叠结构，该层叠结构包括基于该变形而可区分为不同层的第一层和第二层。稍后将使用图2对Al的原子比的变化的实例进行说明。

第一层和第二层可以由氮化物或碳氮化物构成。应当注意，当第一层由氮化物构成时，第二层也由氮化物构成。当第一层由碳氮化物构成时，第二层也由碳氮化物构成。当第一层由氮化物构成时，第二层不由碳氮化物构成。当第一层由碳氮化物构成时，第二层不由氮化物构成。

在第一硬质覆层中包含至少两个晶粒，优选包括三个以上。第一硬质覆层中包含的晶粒优选具有双晶结构。更优选地，当双晶的晶体结构中由符号Σ3表示的重合边界为线对称轴时，上述层叠结构存在于该轴的两侧。

如上所述，晶粒具有氯化钠型晶体结构，并且具有基于包括晶粒中的第一层和第二层的层叠结构的变形。该变形提高了晶粒的硬度。因此，本实施方案中的覆膜(第一硬质覆层)的耐磨性可得以提高。其结果是，包括被覆有这种覆膜的基材的表面被覆切削工具具有优异的耐磨性，从而实现长的使用寿命。

(Al的原子比)

如上所述，第一硬质覆层具有层叠结构，其中由AlxTi1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层、以及由AlyTi1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层在晶粒中交替地层叠成一层或多层。在该层叠结构中，各第一层中的Al的原子比x在0.76以上至小于1的范围内变化。各第二层中的Al的原子比y在0.45以上至小于0.76的范围内变化。此外，原子比x与原子比y之差的最大值为0.05≤x-y≤0.5。

原子比x与原子比y之差的最大值是指通过如下方式获得的数值：通过下述方法基于横截面样品计算原子比x和原子比y的值，然后获得原子比x的所有计算值的最大值与原子比y的所有计算值的最小值之差。即，相当于从全部第一硬质覆层中的值中选择的原子比x的最大值与原子比y的最小值之间的差值而获得的值。

当原子比x与原子比y之差的最大值小于0.05时，晶粒中的变形小，并且硬度趋于降低。另一方面，当差值的最大值超过0.5时，晶粒中的变形增加，拉伸残余应力增加，因此韧性趋于降低。

图2示出了说明晶粒内的Al的原子比在第一层和第二层的层叠方向(图1B中的箭头方向)上周期性且连续地变化的实例的图。在图2中，横轴表示位于基材表面的法线上并通过晶粒的测定位置(距测定开始位置的距离)，纵轴表示各测定位置处的Al和Ti的原子比，以及Al在Al和Ti的原子比的总和中所占的原子比(比例)。图2中的原子比z用来共同地表示原子比x和原子比y。

在图2中，随着距测定开始位置的距离增加，例如，Al的原子比的值连续增加，然后达到最大点，接着朝向最小点连续减小。在通过该最小点之后，该值再次变为朝向下一个最大点连续增加，并且这种变化随后重复几次。基于此，可以理解的是Al的原子比在第一层和第二层的层叠方向上周期性地连续变化。此外，Al的原子比的降低，即Ti的原子比的增加导致变形，这被认为是如图1B所示的第一层和第二层的条纹状层叠状态。在图2中，Al的原子比的变化形状类似于正弦波。包括彼此相邻的连续增加和连续减小的一个周期的宽度表示相邻的第一层和第二层的总厚度。

原子比x和原子比y如下获得。获得第一硬质覆层中与基材表面的法线方向平行的横截面样品，并且使用安装在SEM或TEM中的能量色散X射线光谱仪(EDX)系统分析在该横截面样品中出现的晶粒，从而计算分析位置处的原子比。重复使用EDX的分析从而扩大用于计算横截面样品的全部表面内的原子比x和原子比y的对象。由此，通过获得在第一硬质覆层的某个位置处的横截面样品，可以明确第一硬质覆层中某个位置处的原子比x和原子比y。

第一层中的Al的原子比x应不小于0.76。这是因为小于0.76的原子比x应当被称为第二层中的Al的原子比y。基于相同的原因，原子比y不应为0.76以上。原子比x不为1，这是因为第一层包含Ti。另一方面，从保持高耐磨性的同时提高韧性的观点出发，原子比y为0.45以上。如果原子比y小于0.45，则Al的量的降低导致抗氧化性降低，这增加了由于覆膜的氧化而降低韧性的可能性。

晶粒中的Al的原子比的上限值，即原子比x的优选的上限值为0.95。晶粒中的Al的原子比的下限值，即原子比y的优选的下限值为0.5。原子比x与原子比y之差的优选的最大值为0.1以上0.45以下。原子比x与原子比y之差的更优选的最大值为0.26以上0.45以下。

(相邻的第一层和第二层的厚度)

在本实施方案中，相邻的第一层和第二层的总厚度(以下也称为“层叠周期”)为3nm至30nm。例如，图2示出了层叠周期为约10nm。包括具有这种厚度的第一层和第二层的层叠结构使得晶粒硬度高并且提高了韧性。特别地，晶粒取向为如下所述的晶体取向，这更有效地有助于提高表面被覆切削工具的基于晶粒热性的耐崩裂性。

当相邻的第一层和第二层的总厚度小于3nm时，韧性降低。另一方面，当其超过30nm时，晶粒变为纤维锌矿晶体结构，使得硬度趋于降低，从而不利地影响耐磨性。相邻的第一层和第二层的总厚度优选为5至25nm。

至少一组相邻的第一层和第二层的厚度可以为3至30nm。然而，优选相邻的第一层和第二层的所有组的厚度均为3至30nm，因为如果这样，可以稳定地制造具有优异耐崩裂性的覆膜。

按照测量原子比x和原子比y时相同的方法，通过获得第一硬质覆层中平行于基材表面的法线方向的横截面样品并且用STEM观察该样品，可以精确测量第一层和第二层的厚度。使用STEM的这种测量方法的例子包括高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)。本说明书中所使用的“厚度”是指平均厚度。如下所述获得相邻的第一层和第二层的总厚度。例如，在第一硬质覆层中的10个位置处获得横截面，并且在横截面中出现的10个晶粒中，测量10组相邻的第一层和第二层的各自的总厚度。总厚度的平均值可以表示为总厚度。这样，在观察倍率为500000倍且观察面积为约0.1μm2的情况下，进行调整使得在视野中出现一个晶粒。重复进行10次以上，以测量足够数量的“相邻的第一层和第二层的总厚度”，从而计算平均值。

(晶粒(200)面的夹角频数分布的确定)

在本实施方案的晶粒中，使用电子背散射衍射(EBSD)系统以分析平行于基材表面的法线方向的横截面中的晶粒的晶体取向，从而确定作为晶粒的晶面的(200)面的法线与基材表面的法线之间的夹角。将夹角为0至45度的晶粒以每5度为单位进行分类以形成9个组。计算出表示各组中包含的晶粒的面积总和的频数。然后，包括夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和为所有组的频数的总和的50％以上100％以下。包括夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和处于这样的范围内，由此特别地提高了晶粒的韧性，从而有助于表面被覆切削工具的优异的耐崩裂性。

在下文中，将测量构成第一硬质覆层的各晶粒的夹角并确定它们的分布称为“确定夹角频数分布”。

在本实施方案中，使用配备有EBSD系统的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)来确定夹角频数分布。对与基材表面的法线方向平行的横截面进行抛光，从而得到作为待测表面的抛光截面，并测定第一硬质覆层中包含的各个晶粒的(200)面的夹角。通过用防水砂纸抛光截面并进一步使用氩离子进行离子研磨，从而可获得作为待测表面的抛光截面。

用于制备确定夹角频数分布所需的待测表面(抛光截面)的抛光过程如下所述。

首先，基于后述的制造方法形成第一硬质覆层。切割该第一硬质覆层从而获得平行于基材表面的法线方向的截面。然后，用防水砂纸(包含SiC晶粒磨料作为磨料的防水砂纸)对切割面进行抛光。

如下所述进行切割。例如，使用蜡将第一硬质覆层的表面(或者，在第一硬质覆层上形成有另一层的情况下，则将覆膜的表面)牢固地固定在足够大从而能保持该第一硬质覆层的平板上，然后使用具有旋转刀片的刀具沿着垂直于平板的方向切割(将旋转刀片设置为尽可能垂直于平板从而进行切割)。这是因为，基材的表面和第一硬质覆层的表面(覆膜表面)被认为是平行的。这种切割可以在第一硬质覆层中的任何部分进行，只要以这种方式沿垂直方向进行即可。按照下述方式将得到的截面抛光并使截面平滑，从而制备待测表面。

依次使用上述防水砂纸#400、#800、#1500(防水砂纸的编号(#)表示磨料的不同晶粒直径。编号数值越大，磨料的粒径越小)进行抛光。

随后，通过用Ar离子对经过上述防水砂纸抛光的截面继续进行离子研磨，从而使截面进一步平滑。离子研磨的条件(例如)如下：

加速电压：6kV

照射角度：与基材表面的法线方向间的夹角为0°

照射时间：6小时。

然后，用配备有EBSD系统的FE-SEM观察经过平滑化处理的第一硬质覆层的抛光截面。该观察可以通过将聚焦电子束单独设置在像素(pixel)上并连续获取EBSD数据来进行。例如，可以使用配备有HKL NL02 EBSD检测器(商品名：“Zeiss Supra 35VP”，由CARL ZEISSAG制造)的FE-SEM。

用配备有EBSD系统的FE-SEM对待测表面进行的观察如下所述。基于由背衍射电子产生的Kikuchi衍射图案的自动分析，EBSD系统可以确定取向晶粒的晶体取向、以及该晶体取向与基材表面的法线相交的角度(夹角)。通过使用配备有EBSD系统的FE-SEM捕获待测表面，计算在所捕获的图像的各像素中基材表面的法线方向与(200)面的法线方向的夹角并进行统计处理，从而可以获得夹角频数分布。其结果是，例如，夹角经计算在0至5度内的像素对应于基材表面的法线与(200)面的法线之间的夹角为0至5度的晶粒。因此，例如，夹角经计算在0至5度内的像素的总数对应于夹角为0至5度的晶粒的面积的总和。

在本实施方案中，选取夹角经计算为0至45度的像素并且以每5度为单位按颜色分类，从而形成9个组。在这9组的每一组中，计算像素的总数，即，表示晶粒的面积的总和的频数，从而确定夹角频数分布。在本说明书中，以这种方式计算出各组中包含的出现于待测表面中的晶粒的面积总和，以作为各组的“频数”。

在确定夹角频数分布时，从确保精度的方面出发，优选在2000至20000倍的范围内适当地选择FE-SEM的观察倍率，并且在50至1000μm2的范围内适当地选择观察面积，从而使得在视野中出现10至100个晶粒。

夹角的计算、夹角为0至45度的像素的选择、以及频数的计算都可以使用市售的软件(商品名：“Orientation Imaging Microscopy Ver 6.2”，由EDAX Inc.开发)来进行。

在本实施方案中，除了划分有夹角为0至5度的晶粒的组以外，其他各组中的最小夹角不包括在该组中。因此，夹角为0度和5度的晶粒被分类到0至5度的组中。夹角为10度的晶粒没有被分类到10至15度的组中，而是被分类到5至10度的组中。即，10至15度指的是超过10度且小于等于15度。

在此，在本实施方式的第一硬质覆层中，包含夹角为0至20度的晶粒(即，夹角为20度以下的晶粒)的四个组的频数的总和为所有组的频数的总和的50％以上100％以下。特别地，在本实施方案中，优选的是：包含夹角为10至20度的晶粒的两个组的频数的总和为所有组的频数的总和的30％以上100％以下。

包含上述晶粒的第一硬质覆层具有高的硬度，这是因为晶粒保持氯化钠型晶体结构。此外，在本实施方案中，包含夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和为所有组的频数的总和的50％以上并且占有较大的比例。即，在第一硬质覆层中，自基材表面的法线方向稍微倾斜(倾斜0至20度)的方向为(200)面的晶粒的存在频率较高。这种第一硬质覆层具有高硬度，并且可被赋予压缩残余力从而韧性提高。其原因尚未明确，但据推测如下：晶粒的(200)面的法线方向自基材表面的法线方向偏移约10度，从而在涉及最高负荷的切削起始点处，以微米的量级缓和了施加在硬质覆膜上的冲击。

特别地，当包含夹角为10至20度的晶粒的两个组的频数的总和为所有组的频数的总和的30％以上时，韧性可以大幅提高。因此，由于可以在保持高硬度的同时提高韧性，从而可以形成耐崩裂性优异的第一硬质覆层，因而实现表面被覆切削工具的长使用寿命。

在本实施方案中，优选地，包含夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和为所有组的频数的总和的55％以上。更优选地，包含夹角为10至20度的晶粒的两个组的频数的总和为所有组的频数的总和的35％以上。当包含夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和小于所有组的频数的总和的50％时，韧性未能充分提高。包含夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和、以及包含夹角为10至20度的晶粒的两个组的频数的总和的上限值均为100％。

图4示出了说明夹角频数分布的曲线图的实例。该图的横轴表示以0至5度为单位的夹角，其对应于将晶粒分类而成的9个组，纵轴表示累积频数。在图4所示的实例中，包含夹角为0至20度的晶粒的四个组的频数的总和为所有组的频数的总和的57％。包含夹角为10至20度的晶粒的两个组的频数的总和为所有组的频数的总和的40％。

(压痕硬度)

在第一硬质覆层中，优选通过纳米压痕得到的压痕硬度为28GPa以上38GPa以下。更优选地，压痕硬度为30GPa以上36GPa以下。当第一硬质覆层的通过纳米压痕得到的压痕硬度落入上述范围内时，根据本实施方案的表面被覆切削工具的耐磨性提高。特别地，在诸如耐热合金等的难切削材料的切削中实现了优异的性能。

可以使用能够进行纳米压痕的超微小压痕硬度测试仪(micro-minuteindentation hardness tester)来测量第一硬质覆层的通过纳米压痕得到的压痕硬度。将压头沿着第一硬质覆层的厚度方向以预定负荷(例如30mN)垂直推压，并且基于压头的压入深度来计算压痕硬度。当在第一硬质覆层上存在诸如表面覆层之类的其他层时，通过Calotest或斜面研磨除去表面覆层，从而暴露出第一硬质覆层，并且将上述方法用于暴露的第一硬质覆层以测量压痕硬度。

(压缩残余应力)

在第一硬质覆层中，压缩残余应力的绝对值优选为0.5GPa以上5.0GPa以下。更优选地，压缩残余应力的绝对值为1.0GPa以上4.0GPa以下。通过使第一硬质覆层的压缩残余应力的绝对值落入上述范围内，能够大幅度提高第一硬质覆层的韧性。压缩残余应力的绝对值小于0.5GPa不足以提高韧性。当压缩残余应力的绝对值超过5.0GPa时，内部应力变得过大，从而易于发生崩裂。通过调整第一硬质覆层所包含的晶粒中的第一层和第二层的层叠周期，并且通过进行额外的表面处理，可将第一硬质覆层的压缩残余应力控制在0.5GPa以上5.0GPa以下。除非另有规定，否则第一硬质覆层的压缩残余应力的值指的是：在距离作为切削点的切削刃500μm的半径范围内的后刀面和前刀面中的一者或两者中的平均压缩残余应力的值。

“压缩残余应力”是存在于第一硬质覆层中一种内部应力(固有应变)，并且指的是以“-”(负)数值表示的应力(单位：本实施方案中为“GPa”)。因此，压缩残余应力大的概念表示上述数值的绝对值大，而压缩残余应力小的概念表示数值的绝对值小。

第一硬质覆层的压缩残余应力可以通过诸如喷砂处理、刷光、滚磨或离子注入来施加。此外，(例如)可以使用X射线应力分析器并通过sin²ψ法来测量第一硬质覆层的压缩残余应力。这种使用X射线的sin²ψ法被广泛用作测量多晶材料的压缩残余应力的方法。例如，可以使用“X-sen oryoku sokuteihou”(材料科学学会，日本，1981，由Yokendo Co.,Ltd.出版)的第54至67页中详细描述的方法。在使用sin²ψ法测定第一硬质覆层的压缩残余应力的情况下，当在第一硬质覆层上存在诸如表面覆层等的其他层时，根据需要通过电解抛光、平面铣削或其他工艺除去表面覆层，从而暴露出第一硬质覆层，并测量暴露的第一硬质覆层的压缩残余应力。用于测量应力的物理系数可以从已知文献中引用。例如，N.Norrby等人在“Surface&Coatings Technology 257(2014)102-107”中所报道的值。这样做时，考虑到所使用的基材的种类，优选通过选择这样的衍射峰从而测量应力，其中该衍射峰位于高角度侧，并且第一硬质覆层和基材的峰的重叠最小。

(杂质)

第一硬质覆层可以包含或可以不包含选自由氯(Cl)、氧(O)、硼(B)、钴(Co)、钨(W)、铬(Cr)、钽(Ta)、铌(Nb)和碳(C)构成的组中的至少一种杂质，只要对本实施方案的赋予高硬度、优异的韧性和高耐崩裂性的操作效果不产生影响即可。即，允许所形成的第一硬质覆层包含诸如不可避免的杂质之类的杂质。

(第一硬质覆层的厚度)

第一硬质覆层的厚度优选为1μm至15μm。第一硬质覆层的厚度在上述范围内可以实现提高耐崩裂性的显著效果，并同时保持耐磨性。当第一硬质覆层的厚度小于1μm时，韧性不足。当厚度超过15μm时，难以施加压缩残余应力，并且耐崩裂性倾向于不足。在改善其特性的方面来看，第一硬质覆层的厚度进一步优选为3μm以上7.5μm以下。

<第二硬质覆层>

如图3A和图3B所示，根据本实施方案的表面被覆切削工具优选包括位于基材10和第一硬质覆层11之间的第二硬质覆层12。另外，第二硬质覆层12的厚度优选为0.01μm至0.5μm。

第二硬质覆层为这样的层，其中核聚集从而使具有上述构成的第一硬质覆层11中所包含的晶粒生长。因此，其组成Al_hTi_1-h的原子比h在0至1的范围内，该原子比h即为Al/(Al+Ti)的平均值。厚度为0.01μm至0.5μm，因而能够在炉内并在较宽的范围内形成高硬度且高密着性的第一硬质覆层。

<其他层>

在本实施方案中，除了第一硬质覆层和第二硬质覆层以外，覆膜还可以包括其他层。例如，可以包括能够增强基材和覆膜之间的接合强度的底层。这种层的例子包括氮化钛(TiN)层、碳氮化钛(TiCN)层、以及TiN层和TiCN层的复合层。可以通过常规已知的制造方法制备底层。

除了上述底层之外，其他层的例子还可以包括由选自由Ti、Zr和Hf构成的组中的至少一种元素以及选自由N、O、C和B构成的组中的至少一种元素组成的化合物层。该化合物层也可以增强基材和覆膜之间的接合强度。可以包括α-Al₂O₃层和κ-Al₂O₃层中的至少一者作为表面覆层。α-Al₂O₃层和κ-Al₂O₃层可以提高覆膜的抗氧化性。

<覆膜的总厚度>

在本实施方案中，覆膜的总厚度优选为3μm以上20μm以下。覆膜的总厚度在上述范围内可以适宜地满足覆膜的特性，包括在保持第一硬质覆层的耐磨性的同时提高耐崩裂性的效果。当覆膜的总厚度小于3μm时，耐磨性降低。当总厚度超过20μm时，例如，在切削加工期间会频繁发生覆膜与基材的分离。就改善其特性而言，覆膜的总厚度优选为4μm以上15μm以下。

可以通过类似于测量第一硬质覆层中所包含的晶粒中的相邻的第一层和第二层的总厚度的方法来测量第一硬质覆层的厚度、第二硬质覆层的厚度以及覆膜的总厚度。即，可以通过获得横截面样品并且用STEM观察样品从而进行测量。此外，例如，通过获得10个横截面样品，测量每个样品中的厚度，并且用平均值表示所述厚度或总厚度，从而测量第一硬质覆层的厚度、第二硬质覆层的厚度以及覆膜总厚度。当观察第一硬质覆层的厚度或第二硬质覆层的厚度时，观察倍率设定为50000倍，并且在视野中将观察面积调整为约10μm²。当观察覆膜的总厚度时，观察倍率设定为5000倍，并且在视野中将观察面积调整为约100μm²。由此，可以测定足够数量的厚度或总厚度从而计算平均值。

<效果>

基于上述，即使当根据本实施方式的表面被覆切削工具用于(例如)不锈钢等的高速连续切削时，也能够抑制崩裂、缺损和分离的发生。由于具有高硬度，因此还实现了耐磨性。因此，根据本实施方式的表面被覆切削工具具有高硬度和优异的韧性、基于高硬度的优异的耐磨性、并且具有基于优异的韧性的高的耐崩裂性，从而实现长的使用寿命。

<<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、以及通过化学气相沉积(CVD)形成包括第一硬质覆层的覆膜的第二步骤。特别地，第二步骤优选包括在改变AlCl₃气体和TiCl₄气体中的一者或两者的流量的同时使晶粒生长的步骤。该步骤可以高产率地制造具有上述构成和效果的表面被覆切削工具。

图5示出了在根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法中使用的示例性CVD系统的示意性的截面图。如图5所示，CVD系统100包括用于保持基材10的多个基材保持夹具21、以及用于围绕基材保持夹具21的由耐热合金钢形成的反应室22。在反应室22的周围设置有用于控制反应室22中的温度的温度调节装置23。

在反应室22中，设置有在反应室22的内部空间中垂直延伸并且可围绕其轴26转动的气体导入管，该气体导入管具有彼此相邻并连接的第一气体导入管24和第二气体导入管25。气体导入管具有这样的构造，使得引入到第一气体导入管24的气体和引入到第二气体导入管25的气体不会在内部混合。第一气体导入管24的一部分和第二气体导入管25的一部分具有多个通孔，其用于将在第一气体导入管24及第二气体导入管25中流动的气体喷射到设置在基材保持夹具21上的基材10上。

在反应室22中，进一步设置有排气管27，其用于将反应室22内的气体排出到外部。反应室22内的气体通过排气管27，并从排气口28排出到反应室22的外部。

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、以及形成包括第一硬质覆层的覆膜的第二步骤，其中按此顺序进行第一步骤和第二步骤。第二步骤优选包括形成第二硬质覆层的步骤。在本实施方案中，除了第一步骤和第二步骤之外，还可以包括其他步骤。以下，为了便于说明，第一硬质覆层和第二硬质覆层直接形成在基材上。然而，在第二步骤中，可以在基材上形成诸如底层之类的其他层，然后再形成第一硬质覆层和第二硬质覆层。此外，在形成第一硬质覆层和第二硬质覆层之后，可以形成表面覆层从而提高抗氧化性。底层和表面覆层可以通过常规已知的方法形成。

<第一步骤>

在第一步骤中，准备基材。可以使用市售可得的基材，或者可以通过一般的粉末冶金法制造基材。例如，在通过一般的粉末冶金法制造硬质合金基材作为基材的情况下，将WC粉末、Co粉末等用球磨机混合，从而得到粉末混合物。将粉末混合物干燥，然后形成预定形状以得到成形体。将该成形体烧结从而得到WC-Co基硬质合金(烧结体)。然后对烧结体进行诸如珩磨之类的预定的刃磨，从而制造由WC-Co基硬质合金形成的基材。在第一步骤中，除了上述基材以外，还可以制备任何常规已知的材料作为这种类型的基材。

<第二步骤>

在第二步骤中，通过化学气相沉积(CVD)形成包括第一硬质覆层的覆膜(第一硬质覆层和第二硬质覆层)。例如，当要生长的晶粒是氮化物时，首先，在形成第二硬质覆层的步骤中，使包括诸如TiCl₄气体等的Ti卤化物气体和诸如AlCl₃气体等的Al卤化物气体的第一气体组、以及包括氨(NH₃)气体的第二气体组在反应室中反应。这在基材上形成包含Al、Ti和N的晶粒的核。然后使核生长从而形成第一硬质覆层。具体而言，使包含在第一气体组中的气体成分和包含在第二气体组中的气体成分在反应室中均匀地反应，并且将反应产物喷射到第二硬质覆层上，从而使包含AlTi的氮化物的晶粒生长，由此形成第一硬质覆层。

特别地，在根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法中，在形成第一硬质覆层时，能够通过多种方法喷射第一气体组。一种方法是在使全部反应气体中的AlCl₃气体的流量(体积％)保持恒定的同时，改变TiCl₄气体的流量，从而使晶粒生长的第一晶体生长方法。另一种方法是在使全部反应气体中的TiCl₄气体的流量保持恒定同时，改变AlCl₃气体的流量，从而使晶粒生长的第二晶体生长方法。

在第一晶体生长方法中，可以通过调节TiCl₄气体的流量(即，可以控制Al的原子比)来控制Ti的原子比。另外，通过调节在高流量(高流量)下喷射TiCl₄气体的时间、在低流量(低流量)下喷射TiCl₄气体的时间、以及TiCl₄气体的流量从高流量切换到低流量或从低流量切换到高流量的次数，从而可以将第一层和第二层的厚度、相邻的第一层和第二层的总厚度、以及第一硬质覆层的厚度控制为各自所需的厚度。此外，在第二晶体生长方法中，可以通过调节AlCl₃气体的流量来控制Al的原子比。通过调节在高流量下喷射AlCl₃气体的时间、在低流量下喷射AlCl₃气体的时间、以及AlCl₃气体的流量从高流量切换到低流量或从低流量切换到高流量的次数，从而可以将第一层和第二层的厚度、相邻的第一层和第二层的总厚度、以及第一硬质覆层的厚度控制为各自所需的厚度。

<其他步骤(压缩残余应力施加步骤)>

优选地，从表面侧对包括第一硬质覆层的沉积覆膜进行喷砂，从而将压缩残余应力施加到包括第一硬质覆层的覆膜中(压缩残余应力施加步骤)。虽然通过CVD形成的层倾向于整体具有拉伸残余应力，但是该步骤可以向包括第一硬质覆层的覆膜的表面侧施加压缩残余应力，由此制造包括具有上述压缩残余应力的第一硬质覆层的覆膜。在喷砂中，可以通过控制介质喷射压力、喷射时间以及喷射距离来控制要施加的压缩残余应力。例如，可以在以下条件下进行湿式喷砂：平均粒径为50μm的氧化铝球、密度为10体积％、喷射压力为0.2MPa、喷射距离为10mm、并且喷射时间为10秒。

下面将参照图5所示的CVD系统来说明根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法的实例。在此，在第二步骤中形成第一硬质覆层时，使用第一晶体生长方法作为喷射第一气体组的方法。此外，在本实施例中，通过CVD使包含AlTi的氮化物的晶粒生长。

首先，将作为基材10的任何给定形状的片材(chip)固定至CVD系统100的反应室22中的基材保持夹具21。然后，在反应容器22的周围设置用于调节反应室22中温度的温度调节装置23，使用该温度调节装置23将安装在基材保持夹具21中的基材10的温度升高至700℃至750℃。反应室22的内部压力进一步设定为2kPa至3kPa。

接着，在使第一气体导入管24和第二气体导入管25绕轴26旋转的同时，将含有TiCl₄气体和AlCl₃气体的第一气体组导入第一气体导入管24，并且将含有NH₃气体的第二气体组导入第二气体导入管25。然后，在反应室22中，第一气体组从第一气体导入管24的通孔喷出，第二气体组从第二气体导入管25的通孔喷出。第一气体组和第二气体组通过反应室22中的旋转操作从而均匀地混合，并且该气体混合物被导向基材10。其结果是，首先，在形成第二硬质覆层的步骤中，第一气体组中包含的气体成分与第二气体组中包含的气体成分在气体混合物中发生化学反应，从而在基材10上形成包含(例如)Al、Ti和N的晶粒的核。

优选地，在形成晶粒的核时，反应室22的内部压力为2kPa至2.5kPa，并且基材10的温度为700℃至730℃。由此可以形成厚度为0.01μm至0.5μm的第二硬质覆层。

接着，在基材10上形成包含Al、Ti和N的晶粒的核以后，在反应室22中的内部压力为2kPa至3kPa、基材10的温度为700℃至750℃的条件下，喷射第一气体组和第二气体组从而使核生长，由此使包含Al、Ti和N的晶粒生长。

此时，使用上述第一晶体生长方法。即，在将AlCl₃气体的流量保持恒定为3体积％至6体积％的同时，在TiCl₄气体的流量为1体积％至3体积％(高流量：高流量)并保持3至15秒的条件下将第一气体组引入到第一气体导入管24。此后，TiCl₄气体的流量立即在高流量和低流量之间进行切换，然后，在AlCl₃气体的流量保持在上述浓度的情况下，在TiCl₄气体的流量为0.2体积％至0.8体积％(低流量：低流量)并保持3至15秒的条件下将第一气体组引入到第一气体导入管24。此后，TiCl₄气体的流量在高流量和低流量之间进行切换。该操作重复多次，从而形成包含具有这样的层叠结构的晶粒的第一硬质覆层，其中在该层叠结构中，第一层和第二层交替层叠。

在使用第二晶体生长方法的情况下，可以通过在上述场合应用第二晶体生长方法来代替第一晶体生长方法，即按照与第一晶体生长方法相同的方法，在改变AlCl₃气体的流量的条件下使晶粒生长，从而形成包含具有这样的层叠结构的晶粒的第一硬质覆层，其中在该层叠结构中，第一层和第二层交替层叠。

在此，除了TiCl₄和AlCl₃气体之外，第一气体组还优选包括氯化氢(HCl)气体和用作载气的氢气(H₂)。除了NH₃气体之外，第二气体组还优选包括氩气。另外可以包括氮(N₂)气。然而，为了有效地使本实施方案中的具有氯化钠型晶体结构的晶粒生长，第二气体组优选包括氨(NH₃)气和氩气而不含氮(N₂)气。此外，当要使包含AlTi的碳氮化物的晶粒生长时，在第一气体组中优选包括乙烯(C₂H₄)气体。

如上所述，能够通过在基材10上形成第一硬质覆层从而制造根据本实施方案的表面被覆切削工具，该第一硬质覆层具有这样的结构，其中由Al_xTi_1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由Al_yTi_1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替层叠在具有氯化钠型晶体结构的晶粒中。

实施例

以下将通过实施例对本发明进行详细说明。然而，本发明不限于这些实施例。

在本实施例中，使用STEM并通过高角环形暗场扫描透射电子显微术，从而观察与基材表面的法线方向平行的覆膜横截面，由此测量覆膜的总厚度、第一硬质覆层的厚度以及第二硬质覆层的厚度。通过使用STEM观察覆膜横截面，从而确定晶粒中第一层和第二层的存在、以及相邻的第一层和第二层的总厚度的平均值(层叠周期)。使用安装在SEM或TEM中的EDX系统(商品名：“JEM-2100F”，由JEOL Ltd.制造)来计算第一层中的Al的原子比x和第二层中的Al的原子比y，并基于原子比x、y的计算值获得x-y的最大值。使用装备有EBSD系统的FE-SEM(商品名：“Zeiss Supra 35VP”，由CARL ZEISS AG制造)，通过捕获并分析与基材表面的法线方向平行的横截面(待测表面)，从而确定第一硬质覆层中所包含的晶粒的(200)面的夹角频数分布。

通过使用如上所述的防水砂纸抛光与基材表面的法线方向平行的横截面，然后通过使用Ar离子进行离子研磨使横截面进一步平滑，从而制备待测表面。本实施例中的离子研磨装置和工艺条件如下：

离子研磨装置(商品名“SM-09010”，由JEOL Ltd.制造)

加速电压：6kV

照射角度：与基材表面的法线方向之间的夹角为0°

照射时间：6小时。

此外，使用超微小压痕硬度测试仪(商品名：“ENT-1100a”，由Elionix Inc.制造)测量第一硬质覆层的通过纳米压痕得到的压痕硬度(GPa)。使用X射线应力分析仪(商品名：“SmartLab”，由Rigaku Corporation制造)并通过sin²ψ法计算第一硬质覆层的压缩残余应力(GPa)的绝对值。

<<基材的制备>>

首先，在第一步骤中，准备将被覆膜覆盖的基材A和基材B。具体而言，将具有表1中所示的配制组成(质量％)的原料粉末均匀混合。然后，将该粉末混合物加压成形为预定形状，接着在1300℃至1500℃下烧结1至2小时，从而得到由硬质合金构成的基材A(形状：CNMG120408NUX)和基材B(形状：SEET13T3AGSN-G)。两者均为SUMITOMO ELECTRICHARDMETAL公司生产的产品。基材A(CNMG120408NUX)为车削用切削刃替换型切削刀片的形状，基材SEET13T3AGSNG为铣削用切削刃替换型切削刀片的形状。在此，表1中的“余量”表示WC占所配制组成的其余部分(质量％)。在本实施例中，如表6所示，制造了样品No.1至36的切削工具。样品No.1至7、9至15、17至22以及25至30的切削工具是实施例，样品No.8、16、23、24以及31至36的切削工具是比较例。

[表1]

<<覆膜的形成>>

在第二步骤中，在基材A或基材B的表面上形成具有表2所示组成且具有表6所示厚度的底层(TiN，或者在一些样品中为TiN和TiCN)。在底层上形成第二硬质覆层，然后形成具有如表6所示厚度的第一硬质覆层。此外，如表6所示，在一些样品中也形成表面覆层(Al₂O₃)。

[表2]

底层是与基材的表面直接接触的层。第二硬质覆层形成在底层上，第一硬质覆层形成在第二硬质覆层上。表面覆层是在第一硬质覆层上形成的层，并且形成切削工具的表面。在此，表2中的“沉积条件”一栏示出了形成底层和表面覆层的“反应气体组成(体积％)”、以及包括“反应气氛”中的压力(kPa)、温度(℃)和总流量(L/分钟)在内的条件。在表2中的“反应气体组成(体积％)”一栏中，H₂气体＝“余量”指的是H₂气体构成反应气体组成的剩余部分(体积％)。

例如，表2中的“TiN”一栏示出了形成作为底层的TiN层的条件。根据表2，可以通过将基材布置在包括图5所示的CVD系统100的已知CVD系统的反应室中，并且将包含2体积％的TiCl₄气体、39.7体积％的N₂气体、以及余量的H₂气体的气体混合物以总气体流速为44.7L/分钟的方式喷射到反应室中，从而形成TiN层，其中该反应室中的气氛为：压力为6.7kPa，温度为915℃。也可以在表2所示的条件下类似地形成表面覆层(Al₂O₃)。可以通过注入反应气体的时间从而控制底层和表面覆层的各自的厚度。

<第一硬质覆层和第二硬质覆层的形成>

使用如图5所示的CVD系统100来形成第一硬质覆层和第二硬质覆层。首先，为了形成晶粒的核(第二硬质覆层)，将反应室22的内部压力设定为2kPa，将沉积温度(基材温度)设定为730℃，并且将第一气体组和第二气体组的总气体流量合计设定为55.5L/分钟。在该条件下，将组成为0.2体积％的TiCl₄气体、0.7体积％的AlCl₃气体、0体积％的C₂H₄气体、和剩余的(余量)H₂气体的第一气体组引入到第一气体导入管24，并将组成为1体积％的NH₃气体和37体积％的Ar气体的第二气体组引入到第二气体导入管25，并且将第一气体组和第二气体组喷射到基材10上。第一气体组和第二气体组的上述组成合计为100体积％。由此制造了如图3B所示的第二硬质覆层。

接着，在表3至表5所示的形成条件1A至1H、2A至2H、X和Y中的任意一个条件下进行第一硬质覆层的形成，即晶粒的生长。总之，在形成条件1A至1H,中，通过保持AlCl₃气体的流量恒定的同时改变TiCl₄气体的流量，从而进行第一晶体生长方法以使晶粒生长。在形成条件2A至2H中，通过保持TiCl₄气体的流量恒定的同时改变AlCl₃气体的流量，从而使用第二晶体生长方法以使晶粒生长。在形成条件X中，在不改变AlCl₃气体和TiCl₄气体的流量而是保持恒定的同时，通过第一气体组和第二气体组的间歇供应来使晶粒生长。具体而言，第一气体组和第二气体组以每秒周期的方式进行供给：停止0.8秒并喷射0.2秒。在形成条件Y中，通过保持AlCl₃气体和TiCl₄气体的流量恒定并连续喷射气体从而使晶粒生长。

例如，在表3至表5中，形成条件“1A”表示在如下条件下形成第一硬质覆层。即，将沉积温度(基材温度)设定为750℃，将反应室的内部压力设定为3.0kPa，并且将总气体流量(即第一气体组的流量和第二气体组的流量的总和)设定为60.5L/分钟。在该条件下，在AlCl₃气体的流量保持恒定为5体积％的同时，将TiCl₄气体的流量保持在0.5体积％(低流量：低流量)3秒钟(时间)，在此条件下将第一气体组引入到第一气体导入管24。然后，随即将TiCl₄气体的流量在高流量和低流量之间切换，并且在AlCl₃气体的流量保持恒定在上述浓度、并且TiCl₄气体的流量保持在1.5体积％(高流量：高流量)3秒钟(时间)的条件下，将第一气体组引入到第一气体导入管24。此后，TiCl₄气体流量进一步在高流量和低流量之间切换。随后根据需要多次执行这种操作。相应地，以每分钟3秒的间隔(间隔)，以高流量和低流量各10次的方式将TiCl₄气体引入到第一气体导入管24。由此，在第二硬质覆层上生长具有第一层和第二层交替层叠的层叠结构的晶粒，从而形成第一硬质覆层。如表3所示，在形成条件“1A”中，除了TiCl₄气体和AlCl₃气体之外，第一气体组还包括H₂气体作为余量部分。第二气体组包括如表3所示的NH₃气体和Ar气体。

在形成条件1B至1H和2A至2H中，以与上述“1A”相同的方式改变TiCl₄或AlCl₃的流量，并在表3或表4所示的条件下形成第一硬质覆层。此外对于形成条件X和Y，在表5所示的条件下形成第一硬质覆层。

在形成条件1A、1F和1G以及形成条件2A、2E和2G中，使具有AlTi的氮化物的第一层和第二层的层叠结构的晶粒生长。在形成条件1B至1E、1H、以及形成条件2B至2D、2F和2H中，由于第一气体组包括如表3和表4所示的体积％的乙烯气体，因此生长了具有AlTi的碳氮化物的第一层和第二层的层叠结构的晶粒。

在上述各条件下形成的第一硬质覆层是通过使具有这样的层叠结构的晶粒生长从而形成的，在该层叠结构中，第一层和第二层以如表3至表5所示的层叠周期交替层叠。表3至表5还示出了在各条件下形成的第一层的厚度、第二层的厚度、第一层中的Al的原子比x(最大值)、第二层中的Al的原子比y(最小值)、原子比x(最大值)和原子比y(最小值)之差(x-y)、以及第一覆层中包含的晶粒的夹角(0至20度、以及10至20度)的频数。

<喷砂>

从表面侧对包括沉积的第一硬质覆层的覆膜进行喷砂，从而将压缩残余应力施加到包括第一硬质覆层的覆膜上。在此，在使用平均粒径为50μm的氧化铝球、密度为10体积％、喷射压力为0.2MPa、喷射距离为10mm、并且喷射时间为10秒的条件下进行湿式喷砂。总覆膜厚度以及由该覆膜的构造而获得的第一硬质覆层的压缩残余应力值示于表6中。

<<切削工具的制造>>

使如上所述形成的覆膜覆盖上述制备的基材A或基材B，从而制造如表6所示的样品No.1至36的切削工具。如前所述，在本实施例中，切削工具样品No.1至7、9至15、17至22、以及25至30是实施例，样品No.8、16、23、24以及31至36的切削工具是比较例。

[表6]

在样品No.1至36的切削工具中，每个样品中的基材、底层、第一硬质覆层中的任一者均不同。在表6中，在一栏内列出有两种化合物(例如，“TiN(0.5)-TiCN(2.5)”)的情况下，左侧的化合物(“TiN(0.5)指的是更靠近于基材表面的一侧的层，右侧的化合物(“TiCN(2.5)”)指的是位于更远离于基材表面的一侧的层。括号中的数值表示每个层的厚度。表6中显示“-”的栏表示不存在层。表6还示出了样品No.1至36的切削工具中的第一硬质覆层的压痕硬度和压缩残余应力的值。

例如，根据表6，在样品No.1的切削工具中，在基材A的表面上依次层叠0.5μm厚的TiN层和2.5μm厚的TiCN层，从而形成底层。在形成于底层上的第二硬质覆层上，在形成条件1A下形成厚度为6.0μm的第一硬质覆层。然而，在样品No.1的切削工具中，在第一硬质覆层上没有形成表面覆层(Al₂O₃层)。在样品No.1的切削工具中，覆膜的整体厚度为9.0μm。在样品No.1的切削工具中，第一硬质覆层所表现出的压痕硬度(GPa)为34.3,，压缩残余应力(GPa)为3.3。

<<切削试验>>

使用如上所述制造的样品No.1至36的切削工具进行以下的两种切削试验。

<圆棒外周高速切削试验>

对于样品No.1至8、17至24、33和34的切削工具，在以下的切削条件下测量后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm时所需的切削时间，观察切削刃的最终损伤状态从而评价工具使用寿命。结果示于表7中。切削时间更长的切削工具被认为耐磨性优异，并且即使在高速切削的情况下，其实现长的使用寿命的可能性高。

(圆棒外周高速切削试验的切削条件)

切削材料：FCD450圆棒

周速：500m/分钟

进给速度：0.15mm/转

切削量：1.0mm

切削液：有

<块材耐缺损性试验>

对于样品No.9至16、25至32、35和36的切削工具，在下述切削条件下测量后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm时的切削距离，观察切削刃的最终损伤状态从而评价工具的使用寿命。结果示于表8中。具有更长切削距离的切削工具被认为具有优异的耐崩裂性，并且无论何种切削材料，其实现长的使用寿命的可能性高。

(块料耐缺损性试验的切削条件)

切削材料：SUS304块材

周速：250m/分钟

进给速度：0.3mm/s

切削量：2.0mm

切削液：无

切削器：WGC4160R(由SUMITOMO ELECTRIC HARDMETAL CORP.制造)

[表7]

样品No.	切削时间(分钟)	最终损伤状态
			1	21	磨损
2	25	磨损
			3	30	磨损
4	18	磨损
			5	21	磨损
6	16	磨损
			7	16	磨损
8	15	磨损
			17	30	磨损
18	23	磨损
			19	23	磨损
20	28	磨损
			21	35	磨损
22	21	磨损
			23	14	磨损
24	11	磨损
			33	8	崩裂
34	6	崩裂

[表8]

样品No.	切削距离(km)	最终损伤状态
			9	9.6	磨损
10	11.4	磨损
			11	9.0	磨损
12	9.4	磨损
			13	9.0	磨损
14	9.3	磨损
			15	8.0	磨损
16	6.7	磨损
			25	9.6	磨损
26	7.6	磨损
			27	7.7	磨损
28	12.2	磨损
			29	14.1	磨损
30	13.9	磨损
			31	7.5	磨损
32	6.7	磨损
			35	5.0	崩裂
36	4.5	缺损

这里，在上述表7和表8中，“最终损伤状态”一栏的记载表示覆膜的耐磨性按以下顺序依次变差：磨损、崩裂和缺损。“磨损”是指没有崩裂和切屑，而只包括磨损的损伤状态(具有光滑的磨损表面)。“崩裂”是指在用于产生加工面的切削工具的切削刀片中存在微小切屑。“缺损”是指在切削刀片中有较大的切屑。

<评价>

根据表7，样品No.1至7和17至22的切削工具的切削时间为16分钟以上，与样品No.8、23、24、33和34的切削工具相比，其具有长的使用寿命。特别是，在样品No.33和34的切削工具中发现崩裂，并且在用于高速切削的性能方面差。

根据表8，样品No.9至15和25至30的切削工具的切削距离为7.6km以上，与样品No.16、31、32、35和36的切削工具相比，其具有长的使用寿命。特别是，在样品No.35的切削工具中发现有崩裂，在样品No.36的切削工具中发现有缺损，这些表明其耐崩裂性(耐缺损性能)差。

尽管已经对本实施方案以及实施例进行了上述说明，但是，从一开始就旨在可以对上述实施方案以及实施例的构成进行适当组合。

应当理解的是，本文公开的实施方案和实施例在所有方面都是示例性的而不是限制性的。本发明的范围不是示出在前面的说明中，而是在权利要求中示出，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。

附图标记列表

10基材，11第一硬质覆层，12第二硬质覆层，21基材保持夹具，22反应室，23温度调节装置，24第一气体导入管，25第二气体导入管，26轴，27排气管，28排气口，100CVD系统。

Claims (7)

1.一种表面被覆切削工具，包括：基材；以及形成在所述基材的表面上的覆膜，其中

所述覆膜包括第一硬质覆层，所述第一硬质覆层包含具有氯化钠型晶体结构的晶粒，

所述晶粒具有这样的层叠结构，其中由Al_xTi_1-x的氮化物或碳氮化物构成的第一层和由Al_yTi_1-y的氮化物或碳氮化物构成的第二层交替层叠成一层或多层，

所述第一层各自具有在0.76以上至小于1的范围内变化的Al的原子比x，

所述第二层各自具有在0.45以上至小于0.76的范围内变化的Al的原子比y，

所述原子比x与所述原子比y之差的最大值为0.05≤x-y≤0.5，

彼此相邻的所述第一层和所述第二层的总厚度为3nm至30nm，

在所述晶粒中，当使用电子背散射衍射系统在平行于所述基材的表面的法线方向的横截面中分析各所述晶粒的晶体取向，从而确定作为所述晶粒的晶面的(200)面的法线与所述基材的表面的法线之间的夹角时，将所述夹角为0度至45度的所述晶粒以每5度为单位进行分类以形成9个组，计算出表示各组中包含的所述晶粒的面积总和的频数，包含所述夹角为0度至20度的所述晶粒的四个组的所述频数的总和为所有组的所述频数的总和的50％以上100％以下，并且

包含所述夹角为10度至20度的所述晶粒的两个组的所述频数的总和为所述所有组的所述频数的总和的30％以上100％以下。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜包括位于所述基材和所述第一硬质覆层之间的第二硬质覆层，并且

所述第二硬质覆层的厚度为0.01μm至0.5μm。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述第一硬质覆层的厚度为1μm至15μm。

4.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中通过纳米压痕得到的所述第一硬质覆层的压痕硬度为28GPa以上38GPa以下。

5.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述第一硬质覆层的压缩残余应力的绝对值为0.5GPa以上5.0GPa以下。

6.一种制造根据权利要求1至5中任一项所述的表面被覆切削工具的方法，所述方法包括：

第一步骤，其中准备所述基材；以及

第二步骤，其中通过化学气相沉积形成包括所述第一硬质覆层的所述覆膜。

7.根据权利要求6所述的制造表面被覆切削工具的方法，其中所述第二步骤包括在改变AlCl₃气体和TiCl₄气体中的一者或两者的流量的同时使所述晶粒生长的步骤。

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