CN109070235A

CN109070235A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: CN109070235A
Application number: CN201780024349.0A
Authority: CN
Inventors: 三角周平; 福井治世; 今村晋也; 广濑和弘; 竹下宽纪
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: EP3446814A4; JP6737442B2; WO2017183327A1; KR20180123703A; US11167357B2; CN109070235B; KR102198744B1; US20190160546A1; EP3446814A1; JP2017193004A; EP3446814B1

Abstract

表面被覆切削工具具有基材和在基材的表面上形成的覆膜。覆膜包括交替层。交替层包括具有第一组成的第一层和具有第二组成的第二层。交替层通过交替地层叠一个或多个第一层以及一个或多个第二层而构成。第一层和第二层各自的厚度为2nm至100nm(含端点)。第一组成由Ti_aAl_bSi_cN(其中0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0≤c≤0.1并且(a+b+c)＝1)表示。第二组成由Ti_dAl_eSi_fN(其中0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0≤f≤0.1并且(d+e+f)＝1)表示。第一组成和第二组成满足0.05≤(d‑a)≤0.2和0.05≤(b‑e)≤0.2。

Description

表面被覆切削工具

技术领域

本公开涉及一种表面被覆切削工具。

本申请要求于2016年4月19日提交的日本专利申请No.2016-083780的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

日本专利待审查公开No.2002-096205(专利文献1)和日本专利待审查公开No.2011-224715(专利文献2)公开了一种表面被覆切削工具，其包括基材和在基材的表面上形成的覆膜。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利待审查公开No.2002-096205

专利文献2：日本专利待审查公开No.2011-224715

发明内容

根据本公开的表面被覆切削工具包括基材和在基材的表面上形成的覆膜。覆膜包括交替层。交替层包括具有第一组成的第一层和具有第二组成的第二层。交替层通过交替地堆叠至少一个第一层和至少一个第二层而形成。第一层和第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下。

第一组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0≤c≤0.1，a+b+c＝1)。第二组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0≤f≤0.1，d+e+f＝1)。第一组成和第二组成满足条件0.05≤d-a≤0.2和0.05≤b-e≤0.2。

附图简要说明

图1为示出根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的结构的一个实例的示意性局部截面图。

图2为示出根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的制造方法的概略流程图。

图3为成膜装置的示意性截面图。

图4为成膜装置的示意性平面图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

表面被覆切削工具的使用环境每天都在变化。特别是近年来，随着新材料的出现，加工材料更多样化，并且加工速度(切削速度和进给速度)显著提高。因此，对表面被覆切削工具的要求日益提高。

例如，已经开发出镍(Ni)基耐热合金并投入工业应用。Ni基耐热合金是耐热性优异的新材料。然而相反地，Ni基耐热合金是所谓的难切削材料，并且在其切削加工中工具的使用寿命趋于缩短。

在切削诸如Ni基耐热合金之类的难切削材料时，工具的切削刃处的温度升高显著。随着加工速度的提高，工具的切削刃处的温度进一步升高。因此，需要开发即使在高温环境下也能够表现出耐磨性和耐氧化性的覆膜。

根据专利文献1，通过向TiAlN(氮化钛铝)覆膜中添加硅(Si)，提高了耐氧化性并且抑制了高温下的覆膜的劣化。然而，对于含有Si的TiAlN覆膜，由于附着破裂，可能使工具的使用寿命变短。

附着破裂是指由加工材料在切削期间附着到工具的切削刃上并随后使覆膜剥离所引起的破裂。例如，附着破裂容易在切削与工具用材料具有高亲和性的材料(如Ni基耐热合金)时发生。

通过向TiAlN覆膜中添加Si，改善了覆膜的硬度。然而，压缩应力倾向于残留在覆膜中，并且覆膜内的密着性趋于降低。因此认为容易发生附着破裂。专利文献1还公开了一种TiAlSiN层和TiAlN层堆叠而成的结构。然而，当层叠含有Si的TiAlN覆膜以形成多层结构时，据认为由于层间剥离更容易产生附着破裂。

专利文献2提出了一种覆膜，其通过交替地堆叠具有TiAlN的粒状晶体结构的薄层A和由TiAlN的柱状晶体形成的薄层B而形成。根据专利文献2，薄层A和薄层B在组成上彼此相同，因此可以抑制薄层A和薄层B之间的剥离(层间剥离)。然而，根据这种结构，由于相邻的单元层(薄层A和薄层B)在组成上彼此相同，因此裂缝倾向于沿晶粒边界发展并在单元层之间蔓延。因此可能发展为长裂缝并可能导致破裂。

鉴于上述情况，本公开的目的是提供一种使用寿命得到改善的表面被覆切削工具。

[本公开中的实施方案的描述]

首先，将列出并描述本公开的实施方案。

[1]一种表面被覆切削工具，包括基材和在基材的表面上形成的覆膜。覆膜包括交替层。交替层包括具有第一组成的第一层和具有第二组成的第二层。交替层通过交替地堆叠至少一个第一层和至少一个第二层而形成。第一层和第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下。

在[1]中的表面被覆切削工具(下面可以简称为“工具”)中，交替层中包括的第一层和第二层各自为TiAlN层，并且它们在组成上也彼此相近。因此，在宏观上，交替层在组成上是一致的。然而，在微观上，第一层和第二层在组成上彼此不同。

具体而言，第一层和第二层为在组成上彼此相近以达到晶格可以在第一层和第二层之间连续的程度的TiAlN层，同时，第一层和第二层为在组成上彼此不同以达到裂缝不会在第一层和第二层之间蔓延的程度的TiAlN层。因此，在交替层中，可以抑制层间剥离以及裂缝在第一层和第二层之间的蔓延。

第一层和第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下。当第一层和第二层各自的厚度小于2nm时，则第一层和第二层会彼此混合，并且可能会降低抑制裂缝蔓延的效果。当第一层和第二层各自的厚度超过100nm时，则可能会降低抑制层间剥离的效果。

第一层和第二层是铝(Al)的组成比高于钛(Ti)的组成比的TiAlN层。已经发现，即使通过如此交替地堆叠第一层和第二层而形成的交替层实质上不含有Si，也能够表现出足够的耐氧化性。还已经发现，对于包括交替层的覆膜，即使当提供给覆膜的压缩应力很小时，覆膜也具有高硬度。因此，可以在保持耐磨性的同时抑制覆膜密着性的降低。

[2]第一组成优选满足条件0<c≤0.05。

[3]第二组成优选满足条件0<f≤0.05。

如上所述，即使Al的组成比高于Ti的组成比的TiAlN层实质上不含Si，也能够表现出足够的耐氧化性。然而，当第一层和第二层含有痕量的Si时，可以在保持覆膜的硬度和密着性的同时期待耐氧化性的进一步提高。

[4]基材优选含有WC颗粒。覆膜优选进一步包括密着层。密着层介于基材和交替层之间，并与基材和交替层两者相接触。密着层的厚度为0.5nm以上50nm以下。密着层包含选自由金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物组成的组中的至少一种化合物。该化合物含有(i)钨(W)，(ii)Al和Si中的至少一者，和(iii)选自由铬(Cr)、Ti、锆(Zr)和铌(Nb)组成的组中的至少一者。

通过采用含有WC颗粒的基材，可以预期改善工具的使用寿命，这是因为碳化钨(WC)硬度高并且耐磨性优异。由于覆膜包括密着层，改善了基材与覆膜之间的剥离强度。因此，期望抑制附着破裂并且进一步改善工具的使用寿命。

密着层中所含的化合物(金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物)包含W(第一元素)以及Al和Si中的至少一者(第二元素)。第一元素与基材中所含的WC颗粒中的元素共通，并且第二元素与交替层(TiAlN)中的元素共通。因此，这种密着层与基材和交替层两者都具有高亲和性，并牢固地密着在基材和交替层两者上。

此外，该化合物含有选自由Cr、Ti、Zr和Nb组成的组中的至少一种元素(第三元素)。虽然目前尚不清楚详细的机理，但已发现除含有第一元素和第二元素以外，还含有第三元素的金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物的剥离强度非常高。因此，虽然密着层是厚度非常小的层(0.5nm以上50nm以下)，但其仍能够表现出足够的剥离强度。

[5]密着层优选含有碳(C)和氮(N)。在密着层的厚度方向上，C的含量优选从第一界面朝向第二界面降低，并且在第二界面处最低，第一界面为基材与密着层之间的界面，第二界面为密着层与交替层之间的界面。N的含量优选从第一界面朝向第二界面升高，并且在第二界面处最高。

如上所述，交替层由氮化物构成。当基材含有WC颗粒时，基材由碳化物构成。因此，由于密着层含有C和N两者，该密着层能够与基材和交替层两者具有亲和性。

如上所述，C和N的含量在密着层的厚度方向上变化，使得密着层在基材与密着层之间的界面(第一界面)处具有更接近碳化物的组成，并且使得密着层在密着层与交替层之间的界面(第二界面)处具有更接近氮化物的组成。因此，进一步提高了密着层与基材之间的亲和性以及密着层与交替层之间的亲和性。即，可以预期剥离强度的提高。

[6]在基材的与密着层接触的部分中，WC颗粒优选占该部分的80％以上。

当基材含有WC颗粒时，通常，基材还含有诸如钴(Co)之类的结合剂成分(结合相)。在形成具有上述组成的密着层时，由于WC颗粒在基材的与密着层接触的部分中的占有率较高，因此能够提高基材与覆膜之间的密着性，这是因为密着层与基材的构成成分中的WC颗粒的亲和性高。

[7]表面被覆切削工具包括基材和在基材的表面上形成的覆膜。覆膜包括交替层。交替层包括具有第一组成的第一层和具有第二组成的第二层。交替层通过交替地堆叠至少一个第一层和至少一个第二层而形成。第一层和第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下。

第一组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0＜c≤0.05，a+b+c＝1)。第二组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0＜f≤0.05，d+e+f＝1)。第一组成和第二组成满足条件0.05≤d-a≤0.2和0.05≤b-e≤0.2。

[本公开的效果]

提供一种使用寿命得到改善的表面被覆切削工具。

[本公开的实施方案的详细描述]

下面将描述本公开的实施方案(下文中也称为“本实施方案”)。权利要求的范围不应限于以下描述。

<表面被覆切削工具>

对于本实施方案中的表面被覆切削工具的形状和应用没有特别的限制，只要表面被覆切削工具是切削工具即可。本实施方案中的表面被覆切削工具可以是(例如)钻头、端铣刀、铣削用替换型切削刀片、车削用替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥或曲轴铣削用刀片。

图1为示出根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的结构的一个实例的示意性局部截面图。表面被覆切削工具100包括基材10和在基材10的表面上形成的覆膜20。

<<基材>>

对于基材10没有特别的限制。基材10可以由(例如)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。基材10优选由硬质合金构成，这是因为硬质合金的耐磨性优异。

硬质合金代表主要由WC颗粒构成的烧结体。硬质合金含有硬质相和结合相。硬质相含有WC颗粒。结合相使WC颗粒彼此结合。结合相含有(例如)Co。结合相可以进一步含有(例如)碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC)。

当在本文中使用不限制构成元素比的组成式如“TiC”来表示化合物时，该组成式包括所有常规已知的组成(元素比)。这里的组成还包括非化学计量组成。例如，表述“TiC”不仅表示化学计量组成“Ti₁C_l”，还表示非化学计量组成，如“Ti₁C_0.8”。

硬质合金可以含有在其制造过程中不可避免地引入的杂质。此外，硬质合金可以在其结构中含有游离碳或被称为“η层”的异常层。硬质合金的表面可以经过改性处理。例如，硬质合金可以包括在其表面上的脱贝塔(β)层。

优选地，硬质合金含有87质量％以上96质量％以下的WC颗粒并且含有4质量％以上13质量％以下的Co。WC颗粒的平均粒径优选为0.2μm以上2μm以下。

Co比WC颗粒软。如下所述，基材10的表面的离子轰击处理可以除去软质的Co。硬质合金具有上述组成，并且WC颗粒具有上述平均粒径，使得在Co已被移除的表面中具有适度的凹凸。据认为，通过在这样的表面上形成覆膜20，能够表现出锚固效果，并且改善覆膜20与基材10之间的密着性。

WC颗粒的粒径是指围绕WC颗粒的二维投影图像的圆的直径。利用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)测量粒径。具体而言，切割硬质合金，并利用SEM或TEM观察切割面。将在所观察的图像中围绕WC颗粒的圆的直径作为WC颗粒的粒径。在所观察的图像中测量10个以上(优选50个以上，更优选100个以上)随机抽取的WC颗粒的粒径，并且将它们的算术平均值作为WC颗粒的平均粒径。在观察中，优选使用截面抛光仪(CP)或聚焦离子束(FIB)对切割面进行处理。

<<覆膜>>

在基材10的表面上形成覆膜20。覆膜20可以形成在基材10的一部分表面或全部表面上。覆膜20形成在基材10的表面的至少对应于切削刃的部分中。

覆膜20包括交替层21。覆膜20可以包括其他的层，只要覆膜20包括交替层21即可。例如，覆膜20可以在其与基材10相接触的部分中包括密着层22，将在下文对密着层22进行描述。覆膜20可以在其最外部表面上包括(例如)用于确定切削刃是否已被使用的着色层。着色层包含(例如)氮化钛(TiN)。覆膜20的堆叠结构在整个覆膜20上不必是一致的，而是可以部分地不同。

覆膜20的厚度优选为0.5μm以上15μm以下。对于厚度为0.5μm以上的覆膜20，可以预期足够的磨损寿命。对于厚度为15μm以下的覆膜20，可以预期耐崩裂性的改善。覆膜20的厚度更优选为0.5μm以上10μm以下，并且进一步优选为0.5μm以上5μm以下。

利用SEM或TEM测量覆膜20的厚度和覆膜20中包括的各层(例如，下文将描述的第一层1和第二层2)的厚度。具体而言，对工具进行切割，并且在覆膜的厚度方向上的截面中测量覆膜20和各层的厚度。在其中的至少五个位置处测量覆膜20的厚度，并且采用它们的算术平均值作为覆膜20的厚度。

在本实施方案中形成覆膜20的晶粒优选为立方晶体。由于为立方晶体，硬度趋于变高并且工具的使用寿命趋于变长。当覆膜20部分地包含无定形晶体时，覆膜20的硬度可能会降低。

<<交替层>>

交替层21包括具有第一组成的第一层1和具有第二组成的第二层2。交替层21通过交替地堆叠至少一个第一层1和至少一个第二层2而形成。

只要交替层21包括至少一个第一层1和至少一个第二层2，则对于堆叠层的数量没有特别的限制。堆叠层的数量表示交替层21中包括的第一层1和第二层2的总数。堆叠层的数量为(例如)大约5以上7500以下，优选大约10以上5000以下，并且更优选大约20以上500以下。在交替层21中，最靠近基材10的层可以为第一层1或第二层2。在交替层21中，最远离基材10的层可以为第一层1或第二层2。

第一层1和第二层2各自的厚度为2nm以上100nm以下。据认为，通过交替地重复这种薄层可以抑制裂缝的蔓延和发展。当第一层1和第二层2各自的厚度小于2nm时，第一层1和第二层2彼此混合，并且可能会降低抑制裂缝蔓延的效果。当第一层1和第二层2的厚度超过100nm时，则可能会降低抑制层间剥离的效果。

在测量第一层1和第二层2的厚度时，将利用TEM观察的放大倍率设定为(例如)大约1000000x。根据第一层1和第二层2的厚度适当地调节用于观察的放大倍率。在其中的至少五个位置处测量第一层1或第二层2的厚度，并采用它们的算术平均值作为第一层1或第二层2的厚度。

第一层1和第二层2各自的厚度优选为2nm以上80nm以下，更优选2nm以上50nm以下，进一步优选2nm以上30nm以下，并且最优选2nm以上20nm以下。通过这样调节第一层1和第二层2的厚度，可以预期改善抑制裂缝蔓延的效果和抑制层间剥离的效果。

(第一组成和第二组成)

第一层1具有第一组成。第一组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0≤c≤0.1，a+b+c＝1)。

第二层2具有第二组成。第二组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0≤f≤0.1，d+e+f＝1)。

第一组成和第二组成满足条件0.05≤d-a≤0.2和0.05≤b-e≤0.2。在满足0.05≤d-a和0.05≤b-e的条件下，第一组成和第二组成可以以能够抑制裂缝在第一层1和第二层2之间蔓延的程度而彼此不同。同时，在满足d-a≤0.2和b-e≤0.2的条件下，第一组成和第二组成可以以能够抑制第一层1和第二层2之间的层间剥离的程度而彼此相近。第一组成和第二组成优选满足条件0.05≤d-a≤0.1和0.05≤b-e≤0.1。因此，认为可以进一步改善抑制裂缝蔓延和层间剥离的效果。

在第一组成中，“a”可以满足条件0.30≤a≤0.40或0.35≤a≤0.40。“b”可以满足条件0.60≤b≤0.70或0.60≤b≤0.65。

在第二组成中，“d”可以满足条件0.40≤d≤0.50或0.40≤d≤0.45。“e”可以满足条件0.50≤e≤0.65或0.50≤e≤0.55。

第一层1和第二层2可以各自为实质上不含Si的层。在第一组成中，“c”可以设为零，而在第二组成中，“f”可以设为零。优选满足条件0<c≤0.05(更优选0.01≤c≤0.05)，并且满足条件0<f≤0.05(更优选0.01≤f≤0.05)。

利用能量色散X射线光谱法(EDX)测定第一组成和第二组成(即，a、b、c、d、e和f)。TEM-EDX用于组成分析。具体而言，在利用TEM观察交替层21的厚度方向上的截面的同时，对从第一层1或第二层2随机抽取的五个位置进行EDX分析。将测量点的直径设定为1nm。通过计算从五个位置处的测量获得的各元素的组成比的算术平均值，得到a、b、c、d、e和f中的每一个。

当交替层21中的堆叠层的数量小于3时，对第一层1中的一层和第二层2中的一层进行组成分析以确定第一组成和第二组成。当堆叠层的数量大约为3至10时，对第一层1中的两层和第二层2中的两层进行组成分析，并采用两层的平均组成作为第一组成或第二组成。当堆叠层的数量大约为10至50时，对第一层1中的五层和第二层2中的五层进行组成分析，并采用五层的平均组成作为第一组成或第二组成。当堆叠层的数量超过50时，对第一层1中的十层和第二层2中的十层进行组成分析，并采用十层的平均组成作为第一组成或第二组成。

<<密着层>>

覆膜20优选还包括密着层22。密着层22介于基材10和交替层21之间。密着层22与基材10和交替层21两者相接触。在基材10和交替层21之间存在密着层22时，可以预期改善抑制附着破裂的效果。

(密着层的组成)

密着层22含有选自由金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物组成的组中的至少一种化合物。该化合物含有第一元素、第二元素和第三元素。采用W作为第一元素。第一元素为与基材10中包含的WC颗粒中的元素共通的元素。采用Al和Si中的至少一者作为第二元素。第二元素为与交替层21(TiAlN)中的元素共通的元素。第三元素为选自由Cr、Ti、Zr和Nb组成的组中的至少一种。

含有第一元素、第二元素和第三元素的金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物的具体实例包括WTiC、WTiN、WTiCN；WCrC、WCrN、WCrCN；WCrTiC、WCrTiN、WCrTiCN；WTiAlC、WTiAlN、WTiAlCN；WTiSiC、WTiSiN、WTiSiCN；WCrTiAlC、WCrTiAlN、WCrTiAlCN；WCrTiSiC、WCrTiSiN、WCrTiSiCN；WTiAlSiC、WTiAlSiN、WTiAlSiCN；WCrTiAlSiC、WCrTiAlSiN、WCrTiAlSiCN；以及上述化合物中全部或部分的Cr被Zr和Nb中的至少一者所取代的化合物。

密着层22可以仅含有上述化合物中的一种化合物，或可以含有两种以上的化合物。当密着层22含有两种以上的化合物时，化合物可以为固溶体的形式。或者，两种以上的化合物可以以分层的方式存在于密着层22中。

密着层22的厚度优选为0.5nm以上50nm以下。只要如上构成的密着层22的厚度为0.5nm以上，密着层即能够表现出足够的剥离强度。只要密着层22的厚度为0.5nm以上，则随着厚度减小，可以预期剥离强度的提高。据认为，残留应力随着厚度减小而变小。因此，密着层22的厚度更优选为0.5nm以上40nm以下，进一步优选0.5nm以上20nm以下，并且最优选0.5nm以上5nm以下。测量密着层22的厚度的方法与测量前述第一层1和第二层2的厚度的方法一致。

(C和N的组成变化)

密着层22优选含有C和N。即，优选地，密着层22含有金属碳化物和金属氮化物、含有金属碳化物和金属碳氮化物、含有金属氮化物和金属碳氮化物或含有金属碳氮化物。

当密着层22含有C和N时，C和N的含量可以在密着层22的厚度方向上变化。因此认为基材10和覆膜20之间的密着性得到改善，这是因为增强了密着层22和基材10之间的亲和性以及密着层22和交替层21之间的亲和性。该含量可以在密着层22的厚度方向上阶梯式变化或以一定斜率变化。

在该实施方案中，C的含量优选从第一界面朝向第二界面降低，并且在第二界面处最低，第一界面为基材10和密着层22之间的界面，而第二界面为密着层22和交替层21之间的界面。因此认为含有C的基材10和密着层22之间的亲和性得到改善。

N的含量优选从第一界面朝向第二界面升高，并且在第二界面处最高。因此认为含有N的交替层21和密着层22之间的亲和性得到改善。

例如，通过在经由气相沉积而形成密着层22的过程中改变C原料气体和N原料气体之间的流量比，可以实现这种组成变化。

利用TEM-EDX确认C和N的组成变化。在密着层22的厚度方向上的截面中，在EDX分析中得到C和N的映射图像，并在映射图像中确认组成的变化。

(WC颗粒的占有率)

通过提高基材10的与密着层22接触的部分中的WC颗粒的占有率，也能够改善基材10与覆膜20之间的密着性，这是因为密着层22与基材10的构成成分中的WC颗粒的亲和性高。

例如，通过减少在基材10的表面处暴露的结合相(Co等)可以使WC颗粒的占有率相对较高。例如，可以通过对基材10的表面进行下文将描述的离子轰击处理来减少结合相。

如下测量在基材10的与密着层22接触的部分中的WC颗粒的占有率。首先，沿覆膜20的厚度方向对工具进行切割，并得到基材10和密着层22之间的界面(第一界面)的截面。利用FIB适当地对截面进行处理。利用TEM观察该截面。在所观察的图像中，沿第一界面设置长度为3μm的基准线。测量基准线内的WC颗粒和密着层22彼此接触的部分的总长度。通过将总长度除以基准线的长度而计算的值的百分比来表示WC颗粒的占有率。

WC颗粒的占有率优选为80％以上。较高的WC颗粒占有率是理想的。占有率的上限可以为100％。WC颗粒的占有率更优选为85％以上，进一步优选90％以上，并且最优选95％以上。

<表面被覆切削工具的制造方法>

可以利用以下制造方法来制造上述本实施方案中的表面被覆切削工具。

图2为示出根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的制造方法的概略流程图。该制造方法包括基材准备步骤(S10)和覆膜形成步骤(S20)。覆膜形成步骤(S20)至少包括交替层形成步骤(S23)。覆膜形成步骤(S20)还可以包括基材清洁步骤(S21)和密着层形成步骤(S22)。

<<基材准备步骤(S10)>>

在基材准备步骤(S10)中，制备基材10。例如，制备具有规定形状的硬质合金作为基材10。可以用通常的粉末冶金法制备硬质合金。下面示出了具体方法的一个实例。

使用球磨机通过湿式方法混合WC颗粒和Co粉末而得到混合粉末。例如，采用乙醇作为溶剂。将混合粉末干燥。通过将干燥的混合粉末成形为规定的形状来获得成形体。通过烧结成形体而得到烧结体(硬质合金)。对烧结体进行规定的切削刃加工(例如，珩磨)。如上所述准备由硬质合金制成的基材10。

<<覆膜形成步骤(S20)>>

在覆膜形成步骤(S20)中，在基材10的表面上形成覆膜20。

在本实施方案中，优选利用物理气相沉积(PVD)形成覆膜20。可以利用化学气相沉积(CVD)形成覆膜20。利用PVD形成的覆膜20在高温下的劣化趋于较小。这可能是因为与CVD相比，PVD趋于产生高度结晶的化合物。

PVD的具体实例包括电弧离子镀(AIP)、平衡磁控溅射(BMS)和非平衡磁控溅射(UBMS)。

在AIP中，在将靶材设定为阴极的情况下引发电弧放电。因此，靶材被蒸发并电离。然后，离子沉积在施加有负偏置电压的基材10的表面上。

在BMS中，将靶材设置在磁控管电极上，并且通过使用磁控管电极的磁场产生气体等离子体。因此，靶材被蒸发并电离。然后离子沉积在基材10的表面上。UBMS是一种通过故意扰乱BMS中的磁场平衡来增加离子与基材10的碰撞频率的方法。

AIP的靶材的电离率优异。这里通过采用AIP，基材清洁步骤(S21)至交替层形成步骤(S23)可以在同一成膜装置中进行，具有成本效益。

(基材清洁步骤(S21))

在基材清洁步骤(S21)中，对基材10的表面进行清洁。

例如，可以通过使用氩(Ar)离子对基材10的表面进行第一离子轰击处理来清洁基材10的表面。由此可以减少在基材10的表面处暴露的结合相。可以提高在稍后将形成的密着层22与基材10之间的界面(第一界面)处的WC颗粒的占有率。

由于还可以预期下文将描述的第二离子轰击处理具有清洁功能，因此实施方案中也可以根据条件不同而不进行第一离子轰击处理。

在第一离子轰击处理之后，可以进一步利用选自由Cr、Ti、Zr和Nb组成的组中的一种或多种金属作为靶材对基材10的表面进行第二离子轰击处理。因此，可以进一步减少在基材10的表面处暴露的结合相。密着层22的第三元素(Cr、Ti、Zr和Nb)可以预先附着到基材10的表面。可以(例如)基于这里所附着的第三元素的量来调节密着层22的厚度。

优选地，在第二离子轰击处理中采用Cr作为靶材。Cr是一种可以升华的金属。因此，在离子轰击处理期间，Cr不易于变成熔融颗粒(液滴)。因此，通过采用Cr，可以抑制由离子轰击处理引起的基材10的表面粗化。

(密着层形成步骤(S22))

在密着层形成步骤(S22)中，形成与基材10相接触的密着层22。例如，利用AIP将第二元素(Al、Si)、Ti和N进一步沉积在基材10的表面上，该基材10的表面上已经通过第二离子轰击处理而附着有第三元素。

由此产生第三元素和第二元素熔合的沉积物。此外，第一元素(W)和C从WC颗粒扩散到沉积物中。因此，产生含有第一元素、第二元素和第三元素的金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物，并形成密着层22。

(交替层形成步骤(S23))

在交替层形成步骤(S23)中，在基材10的表面上或密着层22的表面上形成交替层21。通过在密着层22的表面上形成交替层21，从而使密着层22介于基材10和交替层21之间，并与基材10和交替层21两者相接触。

交替层21通过交替地堆叠至少一个第一层1和至少一个第二层2而形成。例如，可以利用如下方法来形成交替层21。

(A)在AIP中，采用含有Ti、Al和Si且各金属的粒径不同的烧结合金作为靶材。

(B)在AIP中，采用多种组成不同的靶材(烧结合金)。

(C)在AIP中，在成膜期间，使施加到基材10的偏置电压像脉冲一样变化。

(D)在AIP中，改变气体的流量。

(E)在AIP中，转动基材10并控制转动周期。

方法(A)至(E)各自单独能够形成交替层21。方法(A)至(E)的组合也能够形成交替层21。

可以如前所述制造表面被覆切削工具100，其包括基材10和在基材10的表面上形成的覆膜20。

实施例

以下将描述实施例。权利要求的范围不应限于以下实施例。

<表面被覆切削工具的制造>

制造各种表面被覆切削工具，并且如下评价工具的使用寿命。

<<样品No.1>>

1.基材准备步骤(S10)

准备以下基材10。基材10含有WC颗粒(90质量％)和Co(10质量％)。WC颗粒的平均粒径为2μm。利用前述方法测定WC颗粒的平均粒径。

(基材规格)

切削刀片型号：SFKN12T3AZTN(住友电工硬质合金公司制造)

材质：硬质合金(ISO P30级)

2.覆膜形成步骤(S20)

图3为成膜装置的示意性截面图。图4为成膜装置的示意性平面图。图3示出了沿图4中的线III-III的截面。图3和图4中所示的成膜装置200为AIP装置。在本实例中，通过使用成膜装置200来形成覆膜。首先将描述成膜装置200的结构。

如图3所示，成膜装置200包括腔室201。腔室201具有用于将源气体导入腔室201的气体导入口202和用于将源气体从腔室201排出到外部的气体排出口203。气体排出口203连接至未示出的真空泵。基于导入和排出的气体的量来调节腔室201中的压力。

在腔室201中，布置转台204。将用于支撑基材10的基材支架205连接至转台204。将基材支架205连接至偏置电源206的负极。偏置电源206的正极接地。

如图4所示，多个靶材211、212、213和214附着在腔室201的侧壁上。如图3所示，靶材211和212分别连接至直流(DC)电源221和222的负极。DC电源221和222是可变电源，并且它们的正极接地。对于靶材213和214也是如此，尽管它们未在图3中示出。下面将描述具体操作。

2-1.基材清洁步骤(S21)

将基材10保持在基材支架205上。利用真空泵将腔室201中的压力调节至1.0×10^- ⁴Pa。在转动转台204的同时，利用连接到成膜装置200的加热器(未示出)将基材10的温度调节到500℃。

通过气体导入口202导入Ar气体，并将腔室201中的压力调节至3.0Pa。在保持压力的同时，逐渐改变偏压电源206的电压并将其最终调节至-1000V。然后，通过使用Ar离子的第一离子轰击处理对基材10的表面进行清洁。

2-2.交替层形成步骤(S23)

制备能够形成具有下表1中所示的组成的交替层21的烧结合金作为各靶材211、212、213和214。将靶材211、212、213和214设置在规定的位置。通过气体导入口202引入氮气，并且在转台204转动的同时形成交替层21。形成交替层21的条件如下所示。

(形成交替层的条件)

基材温度：500℃

反应气体压力：0.5Pa至10Pa

偏置电压：-30V至-800V

电弧电流：100A

将反应气体压力和偏置电压设定为上述范围内的恒定值，或者设定为在上述范围内连续变化的值。

如前所述制造根据样品No.1的表面被覆切削工具。下表1示出了覆膜的结构。使用前述方法测定下表1中所示的各层的组成和厚度。

<<样品No.2和No.3>>

与样品No.1类似地制造根据样品No.2和No.3的表面被覆切削工具，不同之处在于，如下表1中所示改变了第一层1的厚度、第二层2的厚度和堆叠层的数量。

<<样品No.4至No.7>>

与样品No.3类似地制造根据样品No.4至No.7的表面被覆切削工具，不同之处在于，改变了靶材(烧结合金)的组成，使得形成了各自具有下表1中所示的组成的交替层。

<<样品No.8>>

对于样品No.8，在基材清洁步骤(S21)中，在使用Ar离子进行第一离子轰击处理之后，进一步使用Cr离子进行第二离子轰击处理。在经过这种处理的表面上形成交替层21。即，对于样品No.8，进行密着层形成步骤(S22)。除了这方面之外，与样品No.1类似地制造根据样品No.8的表面被覆切削工具。下表2示出了样品No.8中的密着层22的组成和厚度。下表2示出了基材10的与密着层22彼此接触的部分中WC颗粒的占有率。使用前述方法测定这些值。

<<样品No.9至No.13>>

与样品No.8类似地制造根据样品No.9至No.13的表面被覆切削工具，不同之处在于，改变了靶材(烧结合金)的组成，使得形成了各自具有下表1中所示的组成的交替层21并形成了密着层22，并且改变了第二离子轰击处理的条件。

<<样品No.14至No.17>>

对于样品No.14至No.17，未形成密着层22，但形成了具有下表1中所示的单一组成的TiAlN基覆膜。除了这些方面之外，与样品No.1至No.7类似地制造根据样品No.14至No.17的表面被覆切削工具。在下表1中，为方便起见，在第一层的栏中示出了样品No.14至No.17的覆膜的组成。

<评价>

在切削试验中评价各样品的工具使用寿命。具体而言，在以下切削条件下进行湿式间歇切削，并测定直至工具破碎为止的切削距离。上表2示出了结果。表2中切削距离越长表明工具的使用寿命越长。

(切削条件)

加工材料：镍基耐热合金

切削速度：40m/min.

进给速度：0.1mm/刀

切削深度ap：1.0mm

切削深度ae：50mm

如表2所示，与其他样品相比，样品No.3至No.13实现了改善的工具使用寿命。

如表1所示，在样品No.14至No.17中，覆膜各自具有单一组成。因此，认为裂缝会沿着晶界蔓延并且工具的使用寿命不长。

在样品No.3至No.13中，覆膜20包括交替层21。在样品No.3至No.13中，据认为，交替层21中包含的第一层1和第二层2以能够抑制层间剥离的程度而在组成上彼此接近，并且以能够抑制裂缝蔓延的程度而在组成上彼此不同。

虽然No.1和No.2中的覆膜20包括交替层21，但是No.1和No.2的工具使用寿命比No.3至No.13短。No.1被认为具有较低的抑制裂缝蔓延的效果，这是由于第一层1和第二层2的厚度太小以及由此所致的第一层1和第二层2之间的混合。据认为，No.2的第一层1和第二层2的厚度太大，这导致第一层1和第二层2之间趋于层间剥离。

如表2所示，样品No.8至No.13的工具使用寿命比样品No.3至No.7长。由于覆膜20包括密着层22，认为基材10和覆膜20之间的密着性得到改善。

本文所公开的实施方案和例子在每个方面都是示例性的而非限制性的。由权利要求的条款所限定的技术范围旨在包括在与权利要求的条款等同的范围和含义内的任何修改。

附图标记列表

1第一层；2第二层；10基材；20覆膜；21交替层；22密着层；100表面被覆切削工具；200成膜装置；201腔室；202气体导入口；203气体排出口；204转台；205基材支架；206偏置电源；211、212、213、214靶材；以及221、222直流电源

Claims

1.一种表面被覆切削工具，包括：

基材；以及

在所述基材的表面上形成的覆膜，

所述覆膜包括交替层，

所述交替层包括具有第一组成的第一层和具有第二组成的第二层，

所述交替层通过交替地堆叠至少一个第一层和至少一个第二层而形成，

所述第一层和所述第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下，

所述第一组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0≤c≤0.1，a+b+c＝1)，

所述第二组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0≤f≤0.1，d+e+f＝1)，并且

所述第一组成和所述第二组成满足条件0.05≤d-a≤0.2和0.05≤b-e≤0.2。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中

所述第一组成满足条件0<c≤0.05。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述第二组成满足条件0<f≤0.05。

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

所述基材含有WC颗粒，

所述覆膜还包括密着层，

所述密着层介于所述基材和所述交替层之间，并与所述基材和所述交替层两者相接触，

所述密着层的厚度为0.5nm以上50nm以下，

所述密着层包含选自由金属碳化物、金属氮化物和金属碳氮化物组成的组中的至少一种化合物，并且

该化合物含有

W，

Al和Si中的至少一者，和

选自由Cr、Ti、Zr和Nb组成的组中的至少一者。

5.根据权利要求4所述的表面被覆切削工具，其中

所述密着层含有碳和氮，

在所述密着层的厚度方向上，碳的含量从第一界面朝向第二界面降低，并且在所述第二界面处最低，而氮的含量从所述第一界面朝向所述第二界面升高，并且在所述第二界面处最高，所述第一界面为所述基材与所述密着层之间的界面，所述第二界面为所述密着层与所述交替层之间的界面。

6.根据权利要求4或5所述的表面被覆切削工具，其中

在所述基材的与所述密着层接触的部分中，所述WC颗粒占该部分的80％以上。

7.一种表面被覆切削工具，包括：

基材；以及

在所述基材的表面上形成的覆膜，

所述覆膜包括交替层，

所述第一层和所述第二层各自的厚度为2nm以上100nm以下，

所述第一组成表示为Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45，0.55≤b≤0.75，0<c≤0.05，a+b+c＝1)，

所述第二组成表示为Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55，0.45≤e≤0.65，0<f≤0.05，d+e+f＝1)，并且