CN108367363A

CN108367363A - 表面被覆切削工具及其制造方法

Info

Publication number: CN108367363A
Application number: CN201680066342.0A
Authority: CN
Inventors: 小野聪; 今村晋也; 出谷隆典; 阿侬萨克·帕索斯
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: EP3357614A4; US10603726B2; CN108367363B; JP6638936B2; KR20180066200A; JP2017124463A; EP3357614A1; KR102160349B1; EP3357614B1; US20180029144A1; WO2017122448A9; WO2017122448A1

Abstract

一种表面被覆切削工具，其具有包括前刀面和后刀面的表面，并且其中在所述前刀面和所述后刀面之间的边界处的部分形成切削刃。该表面被覆切削工具设置有基材和覆盖所述基材的表面的覆膜，并且所述覆膜包括具有NaCl型晶体结构的TiAlN层。如果位于所述切削刃处的切削刃区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1‑XEA1_XEN，位于所述前刀面处的前刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1‑XRAl_XRN，并且位于所述后刀面处的后刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1‑XFAl_XFN，则满足0.65<XR≤0.9、0.65<XF≤0.9、0.4≤XE≤0.7、XR‑XE≥0.2和XF‑XE≥0.2。

Description

表面被覆切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种表面被覆切削工具及其制造方法。本申请要求于2016年1月13日提交的日本专利申请No.2016-004572的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

作为在钢或铸铁的切削中使用的切削工具，可以使用在基材的表面设置有硬质覆膜的表面被覆切削工具。已知有由TiAlN构成的覆膜(以下称为“TiAlN覆膜”)作为这样的硬质覆膜之一，其中该TiAlN为钛(Ti)、铝(Al)和氮(N)的化合物且具有NaCl型晶体结构。通常用物理气相沉积(PVD)来制造TiAlN覆膜，并已经试图改进组成等以呈现所需的物理性能。

例如，专利文献1公开了一种表面被覆切削工具，其中用PVD制造的TiAlN覆膜的组成在工具中的各部分中是不同的。已知可以通过增加TiAlN覆膜中的Al含量来提高该覆膜的硬度，并且已经进行了各种研究以实现这种提高效果。然而，当用PVD制造的TiAlN覆膜中Al的混合比例超过0.65时，纤锌矿型AlN会析出，因此实际上不能呈现预期的足够高的硬度。

最近，通过用化学气相沉积(CVD)来制造TiAlN覆膜，在保持NaCl型晶体结构的同时，Al的混合比例可以超过0.65。例如，专利文献2公开了用CVD制造TiAlN覆膜，其中Al的比例超过0.75且不高于0.93。

然而，随着用CVD成功地制造出Al的混合比例提高的TiAlN覆膜，出现了“由于Al含量过高而引起耐断裂性降低”的新问题。因为TiAlN覆膜的硬度过高导致TiAlN覆膜的韧性低并由此产生TiAlN覆膜的断裂，从而引发了上述问题。

为了解决上述问题，专利文献3和专利文献4公开了通过在TiAlN覆膜中有意析出纤锌矿型AlN来抑制硬度过度增加，并由此抑制耐断裂性的降低。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.8-267306

专利文献2：日本国家公开No.2008-545063

专利文献3：国际公开No.2012/126030

专利文献4：德国专利No.102007000512

发明内容

根据本公开的一种方式的表面被覆切削工具是这样的表面被覆切削工具，其具有包括前刀面和后刀面的表面和由所述前刀面和所述后刀面之间的边界部分限定的切削刃，并且所述表面被覆切削工具包括基材和覆盖所述基材的表面的覆膜，所述覆膜包括具有NaCl型晶体结构的TiAlN层，并且满足关系

0.65<XR≤0.9、

0.65<XF≤0.9、

0.4≤XE≤0.7、

XR-XE≥0.2和

XF-XE≥0.2，

其中位于所述切削刃处的切削刃区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XEA1_XEN，位于所述前刀面处的前刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XRAl_XRN，并且位于所述后刀面处的后刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XFAl_XFN。

根据本发明的一种方式的制造表面被覆切削工具的方法是制造如上所述的表面被覆切削工具的方法，该方法包括：利用CVD在布置于反应炉中的所述基材上形成所述TiAlN层，形成所述TiAlN层包括第一步骤，该第一步骤将含有Ti和Al的第一原料气体和含有氨的第二原料气体供给到布置有所述基材的所述反应炉中，在所述第一步骤中，到达与所述切削刃区域相对应的所述基材的表面的Al的量分别小于到达与所述前刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量和到达与所述后刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量。

附图说明

图1是示出根据本发明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是沿图1中的直线II-II截取图1中的表面被覆切削工具得到的截面图。

图3在透视截面中示出了图1中的阴影部分，其示出了III区域。

图4是图2所示的截面图中的珩磨切削刃的局部视图。

图5是图3所示的透视截面中的珩磨切削刃的透视截面图。

图6是图2所示的截面图中经负刃带加工(negative land working)的切削刃的局部视图。

图7是图3所示的透视截面中经负刃带加工的切削刃的透视截面图。

图8是图2所示的截面图中经珩磨和负刃带加工的切削刃的局部视图。

图9是图3所示的透视截面中经珩磨和负刃带加工的切削刃的透视截面图。

图10是用于说明CVD装置的反应炉内的基材布置的示意图。

具体实施方案

[本发明所要解决的问题]

利用CVD在TiAlN覆膜中使AlN析出时，难以控制其比例、析出位置等。因此，如专利文献3和专利文献4所公开的，在工业上制造具有TiAlN覆膜的表面被覆切削工具是非常困难的。因此，需要开发这样的表面被覆切削工具，其具有源自具有NaCl型晶体结构的TiAlN覆膜的高硬度，并且可以表现出高的耐断裂性。

本发明的目的在于提供一种硬度和耐断裂性这两者特性均优异的表面被覆切削工具。

[本发明的效果]

根据以上所述，可以提供一种硬度和耐断裂性这两者特性均优异的表面被覆切削工具。

[本发明的实施方案的说明]

首先，将列出和描述本发明的实施方案。在本文的晶体学名称中，在括号内示出单个平面。本文中“A至B”形式的表述是指包含该范围的上限和下限(即，A以上B以下)。当没有给出A的单位而仅给出B的单位时，A的单位和B的单位相同。当对诸如“TiAlN”、“TiN”和“TiCN”之类的化学式中的原子比没有特别限制时，并不表示各个元素的原子比仅限于“1”，而是包括所有常规已知的原子比。

本发明人认为，在利用CVD制造Al的混合比例高的TiAlN覆膜时，用常规技术难以控制纤锌矿型AlN的析出，并且实际上难以提供具有优异硬度和耐断裂性的覆膜。然后，本发明人已经注意到一种与常规技术显著不同的技术，该技术针对工具中的各个位置改变TiAlN覆膜的组成。

由于CVD主要是用于形成均匀覆膜的技术，所以本发明人在建立自己的技术时面临许多困难。然而，通过基于上述观点进行各种研究，本发明人构想实现这样的技术，该技术与将各种原料气体供给至基材的各表面的方法不同。本发明人基于这个构思进一步进行了专门研究并完成了本发明。

[1]根据本发明的一种方式的表面被覆切削工具是这样的表面被覆切削工具，其具有包括前刀面和后刀面的表面和由所述前刀面和所述后刀面之间的边界部分限定的切削刃，所述表面被覆切削工具包括基材和覆盖所述基材的表面的覆膜，所述覆膜包括具有NaCl型晶体结构的TiAlN层，并且满足关系

0.65<XR≤0.9、

0.65<XF≤0.9、

0.4≤XE≤0.7、

XR-XE≥0.2和

XF-XE≥0.2，

表面被覆切削工具能够在后刀面和前刀面中显示出非常高的硬度，并且在施加最重的载荷的切削刃中，韧性和硬度之间的平衡性优异。因此，整个工具可以在保持高硬度的同时表现出高的耐断裂性。因此，表面被覆切削工具的硬度和耐断裂性优异。

[2]在表面被覆切削工具中，所述TiAlN层的(111)面的取向指数TC(111)满足关系1.0<TC(111)≤4。在这种情况下，表面被覆切削工具的耐磨性更高。

[3]在表面被覆切削工具中，所述TiAlN层的厚度优选为1μm以上10μm以下。在这种情况下，上述特性更好。

[4]在表面被覆切削工具中，所述覆膜的厚度优选为3μm以上15μm以下。在这种情况下，作为切削工具的适用性优异。

根据本发明的一种方式的制造表面被覆切削工具的方法是制造如上所述的表面被覆切削工具的方法，该方法包括利用CVD在布置于反应炉中的所述基材上形成所述TiAlN层，形成所述TiAlN层包括第一步骤，该第一步骤将含有Ti和Al的第一原料气体和含有氨的第二原料气体供给到布置有所述基材的所述反应炉中，在所述第一步骤中，到达与所述切削刃区域相对应的所述基材的表面的Al的量分别小于到达与所述前刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量和到达与所述后刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量。

根据该制造方法，可以实现这样的控制，即，与各区域(切削刃区域、前刀面区域和后刀面区域)相对应的部分中的TiAlN层的组成是不同的。因此，可以制造上述表面被覆切削工具。

[本发明的实施方案的详述]

以下将描述本发明的一个实施方案(在下文中表示为“本实施方案”)，然而，本实施方案并不限于此。

<表面被覆切削工具>

如图1所示，本实施方案中的表面被覆切削工具1(以下也简称为“工具1”)具有包括上表面、下表面和四个侧面的表面，并且整体上呈垂直方向上的厚度略小的棱柱形状。工具1设置有穿过上表面和下表面的通孔，并且相邻的侧面通过工具1的四个侧面的边界部分的圆弧面相互连接。

在本实施方案的工具1中，上表面和下表面被定义为前刀面11，并且四个侧面(以及连接这些侧面的圆弧面)被定义为后刀面12。前刀面11和后刀面12之间的边界部分用作切削刃13。换言之，本实施方案的工具1具有包括前刀面11和后刀面12以及由前刀面11和后刀面12之间的边界部分限定的切削刃13的表面(上表面、下表面、四个侧面、连接这些侧面的圆弧面以及通孔的内圆周面)。

前刀面11和后刀面12之间的边界部分是指“限定前刀面11和后刀面12之间的边界的棱线E与前刀面11和后刀面12中的棱线E附近的部分的组合”。“前刀面11和后刀面12中的棱线E附近的部分”是由工具1的切削刃13的形状决定的。以下将描述呈锐刃形状的工具、经过珩磨的珩磨工具、以及经负刃带加工的呈负刃带形状的工具，所有这些工具均表示工具1。

图2和3示出了呈锐刃形状的工具1。在这样的锐刃形状的工具1中，“前刀面11和后刀面12中的棱线E附近的部分”被定义为自棱线E起延伸不超过50μm的距离(直线距离)D的区域(图3中的点状区域)。因此，锐刃形状的工具1中的切削刃13被定义为对应于图3中的点状区域的部分。

图4和5示出了经珩磨的珩磨工具1。除了工具1的各个部分之外，图4和5还示出了：包括前刀面11的假想平面R、包括后刀面12的假想平面F、由假想平面R与假想平面F之间的交线限定的假想棱线EE、限定前刀面11和假想平面R之间的分离边界的假想边界线ER、以及限定后刀面12和假想平面F之间的分离边界的假想边界线EF。在珩磨工具1中，上述“棱线E”被称为“假想棱线EE”。

在该珩磨工具1中，将“前刀面11和后刀面12中的假想棱线EE附近的部分”定义为位于假想边界线ER与假想边界线EF之间的区域(图5中的点状区域)。因此，珩磨工具1中的切削刃13被定义为对应于图5中的点状区域的部分。

图6和7示出了负刃带形状的工具1，其经过了负刃带加工。除了工具1的各个部分之外，图6和图7还示出了：包括前刀面11的假想平面R、包括后刀面12的假想平面F、由假想平面R与假想平面F之间的交线限定的假想棱线EE、限定前刀面11和假想平面R之间的分离边界的假想边界线ER、以及限定后刀面12和假想平面F之间的分离边界的假想边界线EF。在负刃带形状的工具1中，上述“棱线E”被称为“假想棱线EE”。

在该负刃带形状的工具1中，将“前刀面11和后刀面12中的假想棱线EE附近的部分”定义为位于假想边界线ER与假想边界线EF之间的区域(图7中的点状区域)。因此，负刃带形状的工具1中的切削刃13被定义为对应于图7中的点状区域的部分。

图8和图9示出了具有由珩磨和负刃带加工的组合形成的形状的工具1。除了工具1的各个部分之外，图8和图9还示出了：包括前刀面11的假想平面R、包括后刀面12的假想平面F、由假想平面R与假想平面F之间的交线限定的假想棱线EE、限定前刀面11和假想平面R之间的分离边界的假想边界线ER、以及限定后刀面12和假想平面F之间的分离边界的假想边界线EF。在呈负刃带形状的工具1中，上述“棱线E”被称为“假想棱线EE”。假想平面R被定义为前刀面11中包括靠近切削刃13的平面的表面。

在具有这样的形状的工具1中，将“前刀面11和后刀面12中的假想棱线EE附近的部分”定义为位于假想边界线ER与假想边界线EF之间的区域(图9中的点状区域)。因此，工具1中的切削刃13被定义为对应于图9中的点状区域的部分。

再次参见图1，尽管图1将工具1示出为车削用替换型刀片(throwaway tip)，但工具1并不限于此，其实例可包括钻头、端铣刀、钻头用替换型刀片、端铣刀用替换型刀片、铣削用替换型刀片、金属锯、齿轮切削工具、铰刀和丝锥。

当将工具1用作替换型刀片时，工具1可以具有或可以不具有断屑器，并且切削刃13可以是以下形状中的任一形状：锐刃形状(前刀面和后刀面彼此相交处的棱)(参照图1至3)、珩磨形状(具有R的锐刃)(参照图4和5)、负刃带形状(斜削)(参照图6和7)以及珩磨形状和负刃带形状的组合(参见图8和9)。

如图2所示，工具1具有基材2和覆盖基材2的表面的覆膜3。尽管覆膜3优选覆盖工具1中的基材2的全部表面，但是基材2的一部分未被覆膜3覆盖或覆膜3的构造存在部分差异的情况并不脱离本实施方案的范围。

<基材>

如图2和3所示，本实施方案的基材2具有前刀面2a和后刀面2b。前刀面2a和后刀面2b之间的边界部分被定义为切削刃2c。“前刀面2a和后刀面2b之间的边界部分”是指与上述“前刀面11与后刀面12之间的边界部分”类似的“限定前刀面2a和后刀面2b之间的边界的棱线以及前刀面2a和后刀面2b中的棱线附近的部分的组合”。取决于工具1的切削刃13是锐刃形状、珩磨形状还是负刃带形状，从而如上所述定义“前刀面2a和后刀面2b中的棱线附近的部分”。

对于基材2，可以采用这种类型的任何常规已知的基材。例如，这样的基材优选由硬质合金(例如，含有WC和Co的WC基硬质合金，或者可以添加有Ti、Ta或Nb的碳氮化物的WC基硬质合金)、金属陶瓷(主要由TiC、TiN或TiCN组成)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝)、立方氮化硼烧结材料或金刚石烧结材料中的任一者构成。在这些各种基材中，特别优选选择WC基硬质合金或金属陶瓷(特别是TiCN基金属陶瓷)。这是因为这样的基材在高温下的硬度和强度之间的平衡性是特别优异的，并且具有作为用于所述表面被覆切削工具的基材的优异特性。

<覆膜>

根据本实施方案的覆膜3可以包括其他层，只要其包括TiAlN层即可。其他层的实例可以包括TiN层、TiCN层、TiBNO层、TiCNO层、Al₂O₃层、TiB₂层、TiAlCN层、TiAlON层和TiAlONC层。对于层叠的顺序也没有特别的限制。

本实施方案中的这种覆膜3具有通过覆盖基材2来改善诸如硬度和耐断裂性之类的各种特性的功能。

覆膜3的厚度优选为3μm至15μm。当厚度小于3μm时，工具的寿命可能不足。当厚度超过15μm时，在间歇加工期间当在覆膜3和基材2之间施加较大的应力时，可能高度频繁发生覆膜3的剥离或破坏。厚度更优选为5μm至15μm，并且进一步优选为7μm至15μm。

<TiAlN层>

本实施方案中的覆膜3包括TiAlN层。覆膜3可以包括一个TiAlN层或两个以上TiAlN层。

本实施方案中的TiAlN层的特征之一在于具有NaCl型晶体结构。“具有NaCl型晶体结构”是指在TiAlN层的X射线衍射光谱的测量中，观察到来自NaCl型晶体结构的峰，但没有观察到来自NaCl型晶体结构以外的其他晶体结构(例如，纤锌矿型晶体结构)的峰(即，位于检测限以下)。如下所述测量这样的X射线衍射光谱。

首先，将工具1的后刀面12的任意一个平坦部分切割并固定到底座上以制备样品，并且根据需要通过对样品进行抛光来使待测表面平滑。当在TiAlN层上形成另一层时，通过抛光等去除该层，然后使TiAlN层的表面平滑。然后，通过用X射线衍射仪(XRD)对TiAlN层进行X射线衍射从而获得X射线衍射光谱。

可以(例如)使用X射线衍射仪(由Rigaku Corporation制造的SmartLab^TM)，在以下条件下进行上述X射线衍射。

衍射法：θ-2θ方法

X射线源：Cu-Kα射线

检测器：D/Tex Ultra 250

管电压：45kV

管电流：200mA

扫描速度：20°/分钟

扫描范围：15°至85°

狭缝：2.0mm

本实施方案中的TiAlN层的另一特征在于满足以下(1)至(5)：

(1)0.65<XR≤0.9；

(2)0.65<XF≤0.9；

(3)0.4≤XE≤0.7；

(4)XR-XE≥0.2；和

(5)XF-XE≥0.2，

其中位于切削刃13处的切削刃区域中TiAlN层的组成表示为Ti_1-XEA1_XEN，位于前刀面11处的前刀面区域中TiAlN层的组成表示为Ti_1-XRAl_XRN，并且位于后刀面12处的后刀面区域中TiAlN层的组成表示为Ti_1-XFAl_XFN。

可以通过利用具有能量色散X射线光谱仪的扫描电子显微镜(SEM-EDS)测量TiAlN层中的各区域(切削刃区域、前刀面区域和后刀面区域)的组成，从而得到XR、XF和XE。

将描述计算XE的方法。首先，准备包括切削刃区域中的TiAlN层的截面的测量样品。例如，通过沿着覆膜3的厚度方向切削工具1(以便获得基本垂直于TiAlN层的截面)来获得测量样品。根据需要，通过抛光露出的切割面，使包含在切割面中的切削刃区域中的TiAlN层的截面变得平滑。

在准备测量样品的截面时，优选采用在切削刃区域中的中心部分中的截面，而不是切削刃区域中的切削刃区域与前刀面区域之间的边界附近的截面。这是因为，与切削刃区域的边界附近的特性相比，切削刃区域的中心部分的特性对作为工具1的切削刃13的特性的影响更大。

然后，用SEM-EDS观察制备的测量样品，从而分析TiAlN层中Al和Ti的组成比并计算TiAlN层中Al的比例。在一个工具1中设置三个以上的测量点来计算Al的比例，并且将这些值的平均值定义为XE。

类似地，对于XR，制备包括前刀面区域中的TiAlN层的截面的测量样品，并且使用SEM-EDS分析TiAlN层中的Al和Ti的组成比。同样在计算XR时，在一个工具1中设置三个以上的测量点来计算Al的比例，并且将这些值的平均值定义为XR。

在准备测量样品的截面时，优选采用这样区域的截面，该区域在前刀面区域中距离切削刃区域和前刀面区域之间的边界50μm至100μm处。“切削刃区域和前刀面区域之间的边界”对应于图3、5、7和9中的点状区域和前刀面11中的非点状区域之间的边界。

类似地，对于XF，制备包括后刀面区域中的TiAlN层的截面的测量样品，并且使用SEM-EDS分析TiAlN层中的Al和Ti的组成比。同样在计算XF时，在一个工具1中设置三个以上的测量点来计算Al的比例，并且将这些值的平均值定义为XF。

在准备测量样品的截面时，优选采用这样区域的截面，该区域在后刀面区域中距离切削刃区域和后刀面区域之间的边界50μm至200μm处。“切削刃区域和后刀面区域之间的边界”对应于图3、5、7和9中的点状区域和后刀面12中的非点状区域之间的边界。

可以(例如)使用扫描电子显微镜(由Hitachi High-Technologies Corporation制造的S-3400N)在以下条件下进行上述SEM-EDS的分析。

加速电压：15kV

处理次数：5

光谱范围：0至20keV

通道数量：1K

帧数：150

X射线的提取角度：30°

在计算XE时，优选通过考虑工具1的实际使用情况从而确定用作测量样品的TiAlN层的截面的位置。具体而言，当工具1用于在切削刃部分(沿着弧线的顶角处的部分)中的切削刃13处切削加工材料时，优选采用位于切削刃部分的切削刃区域中的TiAlN层的截面作为测量样品。当工具1用于在直线部分(沿着直线的部分)中的切削刃13处切削加工材料时，优选采用位于直线部分的切削刃区域中的TiAlN层的截面作为测量样品。做出这种选择是因为当将工具1用作切削工具时，位置与工具的实际特性直接相关。

同样在计算XR时，优选通过考虑工具1的实际使用情况从而确定用作测量样品的TiAlN层的截面的位置。具体而言，当工具1用于在切削刃部分中的切削刃13处切削加工材料时，优选采用前刀面区域中位于切削刃部分中的切削刃区域附近的TiAlN层的截面作为测量样品，这是因为当将工具1用作切削工具时，在切削刃部分附近的前刀面11的特性直接与工具的实际特性相关联。出于类似的原因，当工具1用于在直线部分中的切削刃13处切削加工材料时，优选将前刀面区域中位于直线部分中的切削刃区域附近的TiAlN层的截面为用作测量样品。这也适用于XF的计算。

具有NaCl型晶体结构并且满足上述(1)至(5)的TiAlN层可以具有高硬度和高耐断裂性，因此硬度和耐断裂性优异。因此，具有这种TiAlN层的工具1可以具有优异的硬度和耐断裂性。本发明人认为其原因如下。

如上述(1)至(3)所限定的，本实施方案中的TiAlN层具有Al的比例超过0.65的区域。尽管如此，TiAlN层仍保持NaCl型晶体结构。这种TiAlN层不能用常规的PVD制造，因此其可以具有高硬度。此外，如(4)和(5)中进一步限定的，在TiAlN层中，切削刃13(切削刃区域)中的Al的比例低于前刀面11(前刀面区域)和后刀面12(后刀面区域)中的Al的比例。根据这样的构造，TiAlN层在前刀面11和后刀面12中可以显示出非常高的硬度，并且在施加最重载荷的切削刃13(即，可能断裂的地方)中，能够在韧性和硬度之间具有优异的平衡性。因此，工具1作为整体可以表现出适合于实际使用的高硬度和高耐断裂性。

上述实施方案中的TiAlN层优选满足(3)中的关系0.4<XE<0.55。在这种情况下，该效果更高。尽管对于上述(4)和(5)的上限值没有特别的限制，但从硬度和耐断裂性之间的平衡性角度考虑，其优选为0.4以下，更优选为0.38以下。

本实施方案中的TiAlN层的(111)面的取向指数TC(111)优选满足关系1.0<TC(111)≤4.0，更优选满足关系2.0<TC(111)≤4.0。在这种情况下，耐磨性更高。

“取向指数”通常以取向指数TC(hkl)表示，并用以下表达式示出。

在表达式(1)中，I(hkl)表示(hkl)反射面的X射线衍射强度，I₀(hkl)表示ICDD数据库00-046-1200中定义的标准强度。表达式(1)中的n表示用于计算的反射数，在本实施方案中n设为5。用于反射的(hkl)面是(111)、(200)、(220)、(311)和(222)。因此，本实施方案的TiAlN层中的TC(111)可以用以下表达式(2)表示。

在本实施方案中，可以通过使用XRD进行分析来得到表达式(2)中所示的TiAlN层的(111)面的取向指数TC(111)。

可以(例如)使用X射线衍射仪(由Rigaku Corporation制造的SmartLab^TM)在以下条件下进行测量。

衍射法：θ-2θ方法

X射线源：Cu-Kα射线

检测器：D/Tex Ultra 250

管电压：45kV

管电流：200mA

扫描速度：20°/分钟

扫描范围：15°至85°

狭缝：2.0mm

本实施方案中的TiAlN层的厚度优选为1μm至10μm。当厚度小于1μm时，可能不能充分呈现硬度和耐断裂性。当厚度超过10μm时，TiAlN层可能会剥离。厚度更优选为2μm至10μm，进一步优选为5μm至7μm。

本实施方案中的TiAlN层可以含有杂质，只要获得上述效果即可。杂质的实例包括氯(Cl)、氧(O)、碳(C)、氩(Ar)和氢(H)。其中，Cl是可能包含在利用CVD制造的TiAlN层中的特定元素，但不会引入到利用PVD制造的TiAlN层中。TiAlN层中的Cl的浓度为0.05原子％至0.20原子％。

<其他层>

本实施方案中的覆膜3可以包括如上所述的其他层。尽管上面列出了其他层的实例，但是(例如)TiCN层或TiN层适合于与基材2的表面接触的底层。在这种情况下，基材2和覆膜3之间的密着性优异。TiCNO层或Al₂O₃层适合作为位于覆膜3的最外表面的表面层。在这种情况下，覆膜3的耐氧化性更高。

<制造方法>

本实施方案中的表面被覆切削工具的制造方法包括利用CVD在布置在反应炉中的基材上形成TiAlN层。形成TiAlN层的步骤包括将含有Ti和Al的第一原料气体和含有氨的第二原料气体供给到布置有基材的反应炉中的第一步骤。在第一步骤中，到达与切削刃区域相对应的基材的表面的Al的量分别小于到达与前刀面区域相对应的基材的表面的Al的量和到达与后刀面区域相对应的基材的表面的Al的量。

“与切削刃区域相对应的基材的表面”是指基材中将要设置与切削刃区域相对应的TiAlN层的表面。类似地，“与前刀面区域相对应的基材的表面”是指基材中将要设置与前刀面区域相对应的TiAlN层的表面，并且“与后刀面区域相对应的基材的表面”是指基材中将要设置与后刀面区域相对应的TiAlN层的表面。

本实施方案中的表面被覆切削工具的覆膜能够通过CVD来制造，并且当在覆膜中还形成TiAlN层以外的其他层时，能够在常规已知的条件下形成该层。可以用上述特定CVD形成TiAlN层。

具有图10所示的反应炉的CVD装置代表CVD装置的一个实例，其中使用该CVD装置能够进行特定CVD。在图10所示的反应炉中布置有第一管道51和第二管道52。第一管道51和第二管道52分别具有通孔51a至51c和通孔52a至52c。第一管道51和反应炉通过通孔51a到51c而彼此连通，并且第二管道52和反应炉通过通孔52a到52c而彼此连通。

尽管图10示出了通孔51a至51c和通孔52a至52c彼此在高度上(在图中的竖直方向上)略微不同，但这仅仅是为了便于理解，并且这些孔的高度优选是相同的。各组通孔51a和通孔52a、通孔51b和通孔52b以及通孔51c和通孔52c优选地布置在相同的高度处。

在形成TiAlN层的步骤中，将基材2布置在反应炉中。在基材2的切削刃2c的表面(与切削刃区域相对应的基材表面)和通孔(51a至51c和52a至52c)之间布置有遮蔽板53和54，使得其彼此间不直接相对。可以将反应炉内的压力和温度分别控制在0.5kPa至3.0kPa和600℃至900℃。优选使基材2如图中的旋转箭头所示旋转。

在第一步骤中，向第一管道51供应含有Ti和Al的第一原料气体，并且向第二管道52供应含有氨(NH₃)的第二原料气体。第一原料气体的具体实例包括由AlCl₃、TiCl₄、HCl、N₂和Ar组成的气体混合物。第二原料气体的具体实例包括由NH₃、N₂和Ar组成的气体混合物。通过将第一原料气体和第二原料气体供给到彼此不同的管道，可以抑制在注入反应炉之前AlCl₃或TiCl₄与NH₃之间的反应。

虽然对于第一原料气体中Ti和Al的比例没有特别的限制，但是从各种实验中得出：在(例如)通过使用AlCl₃和TiCl₄来形成本实施方案的TiAlN层时，AlCl₃/TiCl₄(体积比)优选为1至5，进一步优选为2至4。另外，还从各种实验中得出，在形成本实施方案中的TiAlN层时，NH₃的流量(体积比)优选为2.3％至2.9％，其中将供给到反应炉内的气体的总量(体积)定义为100％。

通过通孔51a到51c将供应到第一管道51的第一原料气体喷到反应炉中。通过通孔52a到52c将供应到第二管道52的第二原料气体喷到反应炉中。图10分别以实线箭头和虚线箭头示出了管道中的第一原料气体的流动和第二原料气体的流动。由此，在基材2的表面上形成TiAlN层。

本发明人考虑了如上所述利用CVD制造根据本实施方案的TiAlN层的原因如下。

参照图10，在第一步骤中从各个通孔喷出的各种气体通过喷出孔扩散向基材2，因此在基材的表面上形成TiAlN层。更具体而言，各种气体流动通过流动路径，其中通孔侧被定义为上游并且基材侧被定义为下游，并且在位于流动路径中的基材的表面处发生化学反应，使得在表面上形成作为化学反应的产物的TiAlN层。

在本实施方案中，如图10所示，在基材2的切削刃2c(与切削刃区域相对应的基材的表面)和从通孔喷出的各种气体之间布置遮蔽板53和54。因此，如图中空心箭头所示，各种气体中的一些气体以环绕遮蔽板53和54的方式流动。这样流动的气体(以下称为“环绕气体”)具有这样的行为：其最初到达与前刀面2a中的前刀面区域相对应的表面或与后刀面2b中的后刀面区域相对应的表面，并在这些表面上发生化学反应，然后到达切削刃2c并在与切削刃区域相对应的表面上发生化学反应。换言之，环绕气体从各喷射孔到达对应于切削刃区域的表面的流动路径分别比各气体从各喷射孔到达对应于前刀面区域的表面和对应于后刀面区域的表面的各流动路径。

环绕气体含有AlCl₃、TiCl₄和NH₃，并且AlCl₃和NH₃之间的反应性高于TiCl₄和NH₃之间的反应性。因此，由于在与前刀面区域相对应的表面和与后刀面区域相对应的表面处消耗得AlCl₃比TiCl₄多，所以达到与切削刃区域相对应的表面的环绕气体中的Al与Ti的原子比(AlCl₃/TiCl₄)小于到达与前刀面对应的表面和与后刀面对应的表面的环绕气体中的Al与Ti的原子比。因此，到达与切削刃区域相对应的表面的Al的量分别小于到达与前刀面区域相对应的表面的Al的量和到达与后刀面区域相对应的表面的Al的量。

由于上述原因，对应于切削刃区域的TiAlN层中的Al的含量分别低于对应于前刀面区域和后刀面区域中的TiAlN层中的Al的含量，因此形成根据本实施方案的TiAlN层。

在上述制造方法中，使用了遮蔽板，使得到达与切削刃区域相对应的基材的表面的Al的量可以分别小于到达与前刀面区域相对应的基材的表面的Al的量和到达与后刀面区域相对应的基材的表面的Al的量。然而，本发明不限于此。例如，关于与通孔的位置关系，可以将基材2布置在反应炉中，通过使与前刀面区域相对应的基材的表面和与后刀面区域相对应的基材的表面比与切削刃区域相对应的基材的表面更靠近通孔，从而使得喷射孔分别和与前刀面区域相对应的基材的表面以及与后刀面区域相对应的基材的表面之间具有这样的距离，该距离小于喷射孔和与切削刃区域相对应的基材的表面之间的距离。

实施例

尽管下面将参照实施例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。包含纤锌矿型AlN的TiAlN层也可以简单地表示为“TiAlN层”。

<基材的准备>

准备了下表1所示的基材K和基材L这两种类型的基材。具体而言，通过将如表1所示组成的原料粉末均匀混合，通过加压将粉末形成为规定形状，然后在1300℃至1500℃下将所形成的粉末烧结1至2小时，从而获得具有CNMG 120408N-GU形状的硬质合金制基材(由Sumitomo Electric Industries,Ltd.制造)(基材K)和具有SEET 13T3AGSN-G形状的硬质合金制基材(由Sumitomo Electric Industries,Ltd.制造)(基材L)。

表1

<覆膜的形成>

在上述获得的各个基材的表面上形成覆膜。具体而言，通过将基材放置在化学气相沉积装置的反应炉中，利用化学气相沉积在基材上形成覆膜。

形成覆膜的条件如下表2和3所示。表2示出了形成除了TiAlN层以外的各层的条件，表3示出形成TiAlN层的条件。

表2

表2中的“余量”表示H₂占据了原料气体的余量。“气体总量”表示每单位时间引入化学气相沉积装置的总体积流量，其中将标准状态(0℃和1大气压)下的气体定义为理想气体(这也适用于表3)。

如表3所示，TiAlN层的形成条件包括a至j和k至o这15个模式，其中a至j表示实施例中的条件并且k至o表示比较例中的条件。特别地，在形成条件a至j下，在如图10所示的反应炉内布置遮蔽板。表3中的“遮蔽板的宽度”是指图10中的遮蔽板53和54的垂直宽度，以及“遮蔽板的距离”是指在图10中的横向方向上，遮蔽板53和54与基材2的切削刃2c之间的空间的长度的最小值。表3中的形成条件m、n和o分别与上述专利文献2、3和4中公开的TiAlN层的形成条件相同。

<表面被覆切削工具的制造>

通过在表2和3中的条件下在基材上形成覆膜，从而制造下表4中所示的样品No.1至36的表面被覆切削工具。

表4

在表4中，例如，样品No.1的表面被覆切削工具显示：通过采用表1中所示的基材K作为基材，在基材K的表面上形成底层，并且在表3中所示的形成条件下在该底层上形成厚度为0.5μm的TiAlN层，从而在基材上形成总厚度为14.0μm的覆膜，其中所述底层是通过在表2中的条件下依次层叠厚度为0.5μm的TiN层和厚度为8.5μm的TiCN层而得到的。表4中的空白栏表示没有形成可用的层。

<TiAlN层的特性>

在基材K上使用在形成条件a至o下的各方法制造了TiAlN层，以评价TiAlN层的特性，并对TiAlN层的各种特性进行评价。表5示出了结果。

表5中的“纤维锌矿型的检测”一栏示出了利用上述测量X射线衍射光谱的方法观察TiAlN层的晶体结构的结果。“无”是指未观察到来自纤锌矿型晶体结构的峰，而仅观察到来自NaCl型晶体结构的峰，并且“有”是指观察到来自纤锌矿型晶体结构的峰。

表5中的“Al比例”一栏示出与切削刃区域、前刀面区域和后刀面区域相对应的TiAlN层中的Al比例。采用来自三个以上的测量点的平均值作为各个区域中的Al的比例。

在后述的切削试验中，将表面被覆切削工具的切削刃部分用作切削刃。因此，采用切削刃部分的切削刃区域中的TiAlN层的截面作为切削刃区域的测量样品。出于相同的原因，采用距离切削刃部分的切削刃区域和前刀面区域之间的边界50μm至100μm的前刀面区域中的TiAlN层的截面作为前刀面区域的测量样品，并且采用距离切削刃部分的切削刃区域和后刀面区域之间的边界50μm至200μm的后刀面区域中的TiAlN层的截面作为后刀面区域的测量样品。

“TC(111)”一栏示出了取向指数TC(111)的结果。用上述方法计算各个值，并采用来自三个测量点的平均值。使用纳米压痕试验机(由Elionix Inc.制造)以3000mgf的载荷将压头沿着TiAlN层的厚度方向垂直地压入，从而得到表5中所示的各个硬度和各个杨氏模量。表中的“刃”、“前刀面”和“后刀面”分别表示“切削刃区域”、“前刀面区域”和“后刀面区域”。

如表5所示，确认了在形成条件a至j下制造的TiAlN层具有NaCl型结晶结构，并且满足上述(1)至(5)。在形成条件k至o下制造的TiAlN层不满足这些条件。

对于在形成条件a至j下制造的TiAlN层，切削刃中的Hv/E最高，并且前刀面和后刀面的Hv/E值均比切削刃的Hv/E值小0.005以上。

<切削试验1>

在以下切削条件下，使表6中所示的实施例和比较例中的表面被覆切削工具进行切削，并测定了直至后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm的时间，并观察切削刃的最终损坏形式。表6示出了结果。切削时间越长，表示硬度越高且寿命越长。显示为“磨损”的最终损坏形式是指切削刃磨损而没有断裂，而显示为“崩裂”的最终损坏形式是指切削刃崩裂。

<切削条件>

加工材料：FCD 600圆棒的外周切削

圆周速度：200m/min

进给速度：0.15mm/rev

切削深度：1.0mm

切削液：使用

表6

由表6可清楚地确认：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的耐磨损性和耐崩裂性均更高，因此硬度和耐断裂性的特性更好。

<切削试验2>

在以下切削条件下，使表7所示的实施例和比较例中的表面被覆切削工具进行切削，测定了直至切削刃断裂为止的时间。切削时间越长表示耐断裂性越高。

<切削条件>

加工材料：SCM 435沟材

圆周速度：200m/min

进给速度：0.20mm/rev

切削深度：1.0mm

切削液：使用

表7

由表7可知，与比较例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具的耐崩裂性更高，因此耐断裂性更高。

<切削试验3>

在以下切削条件下，使下表8中所示的实施例和比较例中的表面被覆切削工具进行切削，测定了直到后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm的切削距离，并观察切削刃的最终损坏形式。表8示出了结果。切削距离越长表示硬度越高且寿命越长。显示为“断裂”的最终损坏形式是指切削刃断裂。与表示微细断裂的崩裂相比，“断裂”是指切削刃中大的断裂。

<切削条件>

加工材料：FCD 700块材

圆周速度：350m/min

进给速度：0.30mm/rev

切削深度：2.0mm

切削液：使用

切割器：WGC 4160(由Sumitomo Electric Hardmetal Corporation制造)

表8

由表8可知，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的耐磨损性和耐崩裂性均更高，因此硬度和耐断裂性的特性均更好。

<切削试验4>

在以下切削条件下，使下表9中所示的实施例和比较例中的表面被覆切削工具进行切削，测定了直到后刀面磨损量(Vb)达到0.20mm的切削距离，并观察切削刃的最终损坏形式。表9示出了结果。切削距离越长表示耐断裂性越高且寿命越长。

<切削条件>

加工材料：S450C块材

圆周速度：160m/min

进给速度：0.30mm/rev

切削深度：2.0mm

切削液：未使用

切割器：WGC 4160(由Sumitomo Electric Hardmetal Corporation制造)

表9

从表9可知，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的耐断裂性更高。

应该理解，本文所公开的实施方案和实施例在各个方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的权项来限定，而不是由上述实施方案和实施例限定，并且旨在包括在与权利要求的权项等同的范围和含义内的任何修改。

附图标记列表

1表面被覆切削工具；2基材；2a前刀面；2b后刀面；2c切削刃；3覆膜；11前刀面；12后刀面；13切削刃；E棱线；F、R假想平面；EE假想棱线；EF、ER假想边界线；51第一管道；52第二管道；51a至51c、52a至52c通孔；和53、54遮蔽板。

Claims

1.一种表面被覆切削工具，其具有包括前刀面和后刀面的表面和由所述前刀面和所述后刀面之间的边界部分限定的切削刃，所述表面被覆切削工具包括：

基材；和

覆盖所述基材的表面的覆膜，

所述覆膜包括具有NaCl型晶体结构的TiAlN层，并且

满足关系0.65<XR≤0.9、0.65<XF≤0.9、0.4≤XE≤0.7、XR-XE≥0.2和XF-XE≥0.2，其中位于所述切削刃处的切削刃区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XEA1_XEN，位于所述前刀面处的前刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XRAl_XRN，并且位于所述后刀面处的后刀面区域中所述TiAlN层的组成表示为Ti_1-XFAl_XFN。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述TiAlN层的(111)面的取向指数TC(111)满足关系1.0<TC(111)≤4.0。

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TiAlN层的厚度为1μm以上10μm以下。

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，其中所述覆膜的厚度为3μm以上15μm以下。

5.一种制造根据权利要求1至4中任一项所述的表面被覆切削工具的方法，该方法包括：

利用CVD在布置于反应炉中的所述基材上形成所述TiAlN层，

形成所述TiAlN层包括第一步骤，该第一步骤将含有Ti和Al的第一原料气体和含有氨的第二原料气体供给到布置有所述基材的所述反应炉中，

在所述第一步骤中，到达与所述切削刃区域相对应的所述基材的表面的Al的量分别小于到达与所述前刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量和到达与所述后刀面区域相对应的所述基材的表面的Al的量。