CN109311099A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

一种表面被覆切削工具，包括基材和覆膜，该覆膜设置在基材上并形成为覆盖后刀面的至少一部分。覆膜包括内层和形成在内层上的外层，其中内层包括一层或多层，其包括氧化铝层作为与外层接触的层；外层具有多层结构，该多层结构包括彼此堆叠的三层或更多层，并且构成多层结构的每个层都含有钛。

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。本申请要求基于2016年6月14日提交的日本专利申请No.2016-117931的优先权。该日本专利申请中描述的所有内容通过引用并入本文。

背景技术

关于表面被覆切削工具，传统上通过利用覆膜覆盖基材的表面来防止(例如)由于在切削加工期间的热量而产生的月牙洼磨损和塑性变形，并进行了进一步改善诸如耐磨性和韧性之类的各种特性的研发。作为覆膜，元素周期表中的第4族金属的碳化物、氮化物和碳氮化物(例如TiC、TiN和TiCN)通常用于改善高温下的切削特性。含有氧化铝(Al₂O₃)的层也通常用作覆盖这种基材的覆膜，因为Al₂O₃是化学稳定的并且几乎不附着于工件上。

日本专利未审查公开No.2008-132547(专利文献1)提出了一种表面被覆切削工具，其覆膜包括具有低密着强度的最外层，以增加耐溶着性。日本专利未审查公开No.2012-213853(专利文献2)提出了一种通过以下方式获得的表面被覆切削工具：在形成覆膜之后进行表面精加工以将前刀面的表面粗糙度Ra设定为0.12μm并且施加压缩残余应力来增加韧性。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利未审查公开No.2008-132547

专利文献2：日本专利未审查公开No.2012-213853

发明内容

根据本公开的一个方面的表面被覆切削工具是这样的表面被覆切削工具，其包括基材和覆膜，该覆膜设置在基材上并且形成为覆盖后刀面的至少一部分，其中覆膜包括内层和形成在内层上的外层，内层由至少一层形成，并包括氧化铝层作为与外层接触的层，外层具有多层结构，该多层结构包括三层或更多层彼此堆叠的层，并且构成多层结构的每个层均包含钛。

具体实施方式

[本公开解决的技术问题]

然而，专利文献1中描述的表面被覆切削工具在由切削刃脊以及切削刃脊的附近区域形成的切削刃部分的表面上是粗糙的，该切削刃脊是后刀面与前刀面相交的部分，因此表面被覆切削工具留有改善耐溶着性的空间。关于专利文献2中描述的表面被覆切削工具，前刀面的表面粗糙度Ra已经改善，但是耐溶着性不足。因此，尚未实现所需的耐溶着性，并且迫切需要用于实现这种耐溶着性的开发。

鉴于上述情况做出了本公开，并且本公开的目的是提供一种耐溶着性显著改善的表面被覆切削工具。

[本公开的有益效果]

根据前述内容，可以提供一种耐溶着性显著改善的表面被覆切削工具。

[实施方案的详述]

本发明人进行了认真和重复的研究以解决上述问题并实现了本发明。也就是说，已经使覆膜的外层具有包括彼此堆叠的三层或更多层的多层结构作为其结构，并且使构成多层结构的每个层都含有钛以缓和在切削加工期间在表面被覆切削工具上施加的应力，从而提高耐溶着性。

首先，通过以下方面描述本发明。

[1]根据本发明的一个方面的表面被覆切削工具是这样的表面被覆切削工具，其包括基材和覆膜，该覆膜设置在基材上并且形成为覆盖后刀面的至少一部分，其中，覆膜包括内层和形成在内层上的外层，内层由至少一层形成，并包括氧化铝层作为与外层接触的层，外层具有多层结构，该多层结构包括彼此堆叠的三层或更多层，并且构成多层结构的每个层都包含钛。具有这种结构的表面被覆切削工具能够显著提高耐溶着性。此外，表面被覆切削工具能够保持常规的表面被覆切削工具的优异的耐磨性。通过获得优异的耐溶着性以及固有的耐磨性，可以提供一种能够实现长寿命的表面被覆切削工具。

[2]覆膜在内层和外层之间的界面中包括多个空隙，并且空隙的平均直径优选为10nm以上100nm以下，并且在沿着与后刀面的法线平行的平面切割覆膜而获得的覆膜的截面中，所述空隙的密度优选为0.1至2个/μm。这使得表面被覆切削工具具有进一步优异的耐溶着性。

[3]表面被覆切削工具的切削刃部分的表面粗糙度Ra优选为0.1μm以下。这使得表面被覆切削工具能够在保持优异的耐磨性的同时，具有更优异的耐溶着性。

[4]多层结构优选包括碳化钛层和氮化钛层。具有低热膨胀系数的碳化钛层能够降低堆叠后的拉伸应力，并且氮化钛层使得表面被覆切削工具能够具有更优异的耐热性。

[5]多层结构优选包括碳化钛层作为与氧化铝层接触的层，氧化铝层是包含在内层中并与外层接触的层。这使得表面被覆切削工具具有进一步优异的耐溶着性。

[6]基材优选由硬质合金形成，作为组成，硬质合金含有7.5质量％至10.5质量％的钴和2质量％至6质量％的第一金属的碳化物，余量为碳化钨和不可避免的杂质，并且第一金属优选是选自由元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素构成的组中的至少一种金属。这使得表面被覆切削工具具有进一步优异的耐磨性。

[7]作为包含在内层中并且与外层接触的层的氧化铝层的平均厚度优选为0.5μm至4μm。这使得表面被覆切削工具具有进一步优异的耐磨性和耐溶着性。

[发明的实施方案的详细内容]

在下文中，更详细地描述了本发明的实施方案。此处，在本说明书中，“A至B”形式的表述表示范围的上限和下限(即，大于或等于A且小于或等于B)，并且当在没有用单位描述A但是用单位描述B的情况下，A和B的单位是相同的。

此外，在本说明书中当由化学式表示化合物等时，化学式中的原子比不受特别的限制，化学式包括任何常规已知的原子比并且不总是限于化学计量的范围。例如，在“TiAlN”的描述中，构成TiAlN的原子数的比率不限于Ti:Al:N＝0.5:0.5:1，TiAlN包括任何常规已知的原子比。对于除“TiAlN”之外的化合物的描述也同样适用。在本实施方案中，金属元素如钛(Ti)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)或铬(Cr)并不总是必须与非金属元素如氮(N)、氧(O)或碳(C)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覆膜，该覆膜设置在基材上并且形成为覆盖后刀面的至少一部分。具有这种基本构成的表面被覆切削工具可适合用作诸如钻头、钻头用可转位切削刀片、端铣刀、端铣刀用可转位切削刀片、铣削用或车削用可转位切削刀片、金属开槽锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥、或曲柄轴铣削用刀片等的切削工具。

<基材>

可以使用常规已知的任何基材作为这种基材。所述基材优选为硬质合金(包括例如WC基硬质合金、含Co和Ni中的至少一者或两者和WC的硬质合金、以及通过添加Ti、Ta、Nb、Zr、Hf、Cr、V等的碳化物、氮化物、碳氮化物等而获得的硬质合金)、金属陶瓷(含有TiC、TiN、TiCN等作为主要成分)、高速钢、陶瓷材料(例如碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝和这些化合物的混合物)、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体等中的任一种。

在这些各种基材中，优选选择硬质合金(特别是WC基硬质合金)或金属陶瓷(特别是TiCN基金属陶瓷)。这些基材在高温下硬度和强度之间的平衡优异，并且作为用于上述用途的表面被覆切削工具的基材具有优异的特性。当用作基材时，WC基硬质合金在其构成中可包括(例如)游离碳和异常层(如所谓的η相或ε相)。

此外，也使用表面已经被改性的基材，这不存在任何问题。例如，由硬质合金形成的基材可以具有在其表面上形成的脱β层，并且由金属陶瓷形成的基材可以具有在其上形成的表面硬化层。表面已经被改性的基材仍然表现出所需的效果。

当表面被覆切削工具是(例如)可转位的切削刀片时，基材包括具有断屑器的基材或不具有断屑器的基材。基材的切削刃脊部(与术语“切削刃部”的不同在后面描述)的形状包括锐边(前刀面与后刀面相交的脊)、珩磨边(通过赋予锐边圆度而获得)、负刃带(倒角)、以及通过组合珩磨边和负刃带而获得的形状中的任一种。在下文中，在本说明书中，有时将未经过这些类型的表面精加工的基材特别描述为“基材母材”。

特别地，在本实施方案中，基材优选由硬质合金形成。该硬质合金含有7.5质量％至10.5质量％的钴和2质量％至6质量％的第一金属的碳化物，余量为碳化钨和不可避免的杂质。第一金属是选自由元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素构成的组中的至少一种金属。此外，第一金属的碳化物优选包括立方晶体。具有这种构成的基材使硬质合金有效地表现出在高温下硬度和强度之间的平衡优异的特性，并且使得表面被覆切削工具具有优异的耐磨性。

含有低于7.5质量％的钴含量作为组成的硬质合金倾向于损坏。当钴含量大于10.5质量％时，硬质合金的热膨胀系数增加，从而减小了硬质合金与覆膜之间的热膨胀系数的差异，因此倾向于使缓和应力的效果不足。

当第一金属的碳化物的含量小于2质量％时，硬质合金倾向于磨损。当第一金属的碳化物的含量大于6质量％时，硬质合金降低了硬质合金与覆膜之间的热膨胀系数的差异，因此倾向于使缓和应力的效果不足。用作第一金属的特定种类的金属包括元素周期表中的第4族元素(如Ti、Zr和Hf)、第5族元素(如V、Nb和Ta)和第6族元素(如Cr、Mo和W)。

第一金属的碳化物的具体实例包括TiC、TaC、NbC和ZrC。

包含在硬质合金的组成中的不可避免的杂质是指在制造基材期间不可避免地混入的元素的总称。作为不可避免的杂质的各元素的含量为0至0.1质量％，并且元素的总量(即，不可避免的杂质的含量)为0至0.2质量％。因此，不可避免的杂质可以包含在硬质合金的组成中，或者不一定包括在硬质合金的组成中。不可避免的杂质包括诸如铝、硅、硼、碳、氮和氧等的元素。

在本实施方案中，硬质合金的组成，即基材的组成可以使用配备有场发射扫描电子显微镜(FE-SEM：场发射扫描电子显微镜)的能量色散X射线分析仪(EDX：能量色散X射线光谱仪)并通过以下测量技术来测量。

首先，将基材(当基材被覆膜覆盖时，为覆盖有覆膜的基材)嵌入树脂中，并且沿着与基材的后刀面的法线平行的平面切割基材以暴露出基材的截面。随后，对该暴露出的截面进行抛光以制作观察用抛光面。使用EDX在x3000的放大倍率下在任意五个位置(五个视野)处对该观察用抛光面(当基材被覆膜覆盖时，其为观察用抛光面的基材部分)进行观察，并进行元素分析以得出元素值。最后，对于各个元素计算五个视野中的值的平均值，从而可以确定硬质合金的组成。作为基材所嵌入的树脂，可以使用(例如)热固性树脂。

关于抛光基材的截面，可以使用常规已知的方法。例如，可以使用氩离子对基材的截面进行离子铣削，以提供平滑化的观察用抛光面。例如，利用Ar离子进行的离子铣削的条件如下。

加速电压：6kV

照射角度：距基材后刀面的法线0到5°

然后，可以通过配备有FE-SEM的EDX对已经平滑化的基材的观察用抛光面进行分析。

<覆膜>

覆膜设置在基材上并形成为覆盖后刀面的至少一部分。这使得覆膜能够改善表面被覆切削工具的特性，例如韧性和耐磨性。覆膜优选形成为覆盖基材的全部表面。然而，在本实施方案中，覆膜可以形成为覆盖后刀面的至少一部分，并且即使当基材上的其他区域包括未被覆膜覆盖的部分时，该状态也不会脱离本发明的范围。

覆膜包括内层和形成在内层上的外层。覆膜可以通过常规已知的化学气相沉积(CVD)法或物理气相沉积(PVD)法形成，因此形成方法不受特别的限制。然而，在本实施方案中，覆膜，即内层和外层都优选通过CVD法形成。CVD法的成膜温度为800℃至1200℃，高于PVD法的成膜温度，因此与PVD法相比，CVD法在覆膜和基材之间提供更优异的密着性，并且在构成该覆膜的层之间提供更优异的密着性。然而，在本实施方案中，如下文所述，有意地降低内层和外层之间的密着性。

覆膜的平均厚度优选为2μm以上25μm以下。平均厚度的上限更优选为20μm，进一步优选为18μm，平均厚度的下限更优选为3μm，进一步优选为4μm。平均厚度小于2μm的覆膜有时不能充分发挥提高耐磨性的作用，平均厚度大于25μm的覆膜在上述作用方面差别不大，有时会带来经济上的缺点。

(内层)

内层是相对于后面描述的外层在基材侧上形成的层，并且由至少一层形成。因此，形成在内层最靠近基材侧上的层形成为与基材的表面直接接触。

内层由至少一层形成，并包括氧化铝层(下文中，有时称为“Al₂O₃层”)作为与外层接触的层。如下面所述，由于其多层结构，外层能够缓和在切削加工期间施加到表面被覆切削工具上的应力，并且还具有易于剥离的特性。因此，包括在内层中并且与表面被覆切削工具的外层接触的层在切削加工期间暴露于表面被覆切削工具的表面，由于接触外层的层由Al₂O₃层形成，从而能够减少对工件的溶着。

此处，氧化铝层是指至少含有Al₂O₃作为层的一部分的层(当该层含有50质量％以上的Al₂O₃时被认为是Al₂O₃层)并且可以包含例如ZrO₂或Y₂O₃(也被认为是将Zr或Y添加到Al₂O₃中)。此外，氧化铝层可含有诸如氯、碳、硼和氮之类的杂质。另一方面，Al₂O₃层包括除了杂质之外仅由Al₂O₃形成组成的情况。对于Al₂O₃层中含有的Al₂O₃的晶体结构没有特别的限制，晶体结构包括α-Al₂O₃、κ-Al₂O₃、γ-Al₂O₃和非晶Al₂O₃以及这些结构的混合状态。

氧化铝层的平均厚度优选为0.5μm至4μm。氧化铝层的平均厚度小于0.5μm可能提供不足的耐溶着性。氧化铝层的平均厚度更优选为0.6μm以上，进一步优选为0.7μm以上。另一方面，氧化铝层的平均厚度的上限为4μm，优选为3.7μm以下，进一步优选为3.5μm以下。氧化铝层的平均厚度大于4μm在改善耐溶着性的效果方面差别不大，有时会带来经济上的缺点。

除了氧化铝层之外，内层优选包括至少一层由以下化合物形成的层，所述化合物由选自由元素周期表中的第4族元素(例如Ti、Zr和Hf)、第5族元素(例如V、Nb和Ta)和第6族元素(例如Cr、Mo和W)、Al、Si和B组成的组中的至少一种元素，以及选自由碳、氮、氧和硼组成的组中的至少一种元素制成。包括这种层的内层能够改善各种特性，例如耐磨性，并改善内层和基材之间的密着性。

该化合物的具体实例包括TiC、TiN、TiCN、TiCNO、TiB₂、TiBN、TiBNO、TiCBN、Ti₂O₃、TiZrCN、ZrC、ZrO₂、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、AlN、AlCN、ZrN和TiAlC。

内层的平均厚度优选为0.5μm以上20μm以下，平均厚度的上限更优选为18μm，进一步优选为15μm，并且平均厚度的下限更优选为2μm，进一步优选为3μm。内层的平均厚度小于0.5μm使得耐溶着性的效果不充分，并且内层的平均厚度大于20μm在上述效果方面的差别不大，有时会带来经济上的缺点。

(外层)

外层具有多层结构，该多层结构包括彼此堆叠的三层或更多层。此外，构成多层结构的每个层都含有钛。外层是如上所述在内层上形成的层，并且由于多层结构，外层能够显著有效地减少工件溶着到表面被覆切削工具的表面上。

也就是说，在根据本实施方案的表面被覆切削工具中，包括三层或更多层的外层的多层结构缓和在切削加工期间施加到表面被覆切削工具上的应力，并且使得外层相对容易地剥离以防止工件溶着到外层。防止工件溶着结果防止了覆膜(内层)破裂，从而可以提供优异的耐磨性。同时，可以防止工件的加工面的状态劣化。

构成外层的多层结构的每个层都含有钛。只要组成中包含钛即可，每个层在其组成方面基本上没有限制。例如，外层可以制成由以下化合物形成的层，该化合物由Ti和选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成，或者在一些情况下，外层可以制成由向该化合物中添加选自由Zr、Cr和Hf组成的组中的至少一种元素而获得化合物所形成的层。这种化合物的实例包括TiN、TiCN、TiBN、TiCNO、TiZrN、TiZrCrN和TiC。包含在外层中的每个层都含有钛，这使得即使在该层是薄膜时也能够均匀覆盖。

在本实施方案中，外层优选包括碳化钛层(下文中，有时描述为“TiC层”)和氮化钛层(下文中，有时描述为“TiN层”)。也就是说，外层优选包括彼此堆叠的三层或更多层，同时包括TiC层和TiN层。这是因为除了上述外层的效果之外，这种外层还可以提供优异的耐热性和降低热膨胀系数的效果。

此外，外层更优选包括TiC层作为与Al₂O₃层接触的层。形成具有易氧化特性的TiC层与Al₂O₃层接触，以使得TiC在膜形成期间被氧化，从而在TiC层和Al₂O₃层之间的界面中容易形成空隙。如下文所述，这些空隙能够有效地降低外层和内层之间的密着强度，使得外层在切削加工期间能够非常容易地剥离。

因此，本实施方案中的外层可以构造成具有这样的多层结构，该多层结构包括例如从与Al₂O₃层接触的外层侧依次层叠的TiC层、TiN层和TiC层。然而，外层的多层结构可包括三层或更多层，并且优选包括3至5层。对于多层结构中堆叠层数的上限没有特别的限制，但优选设定为7层。由超过7层形成的外层在改善耐溶着性的效果方面差别不大，有时会带来经济上的缺点。

作为整个多层结构，外层的平均厚度优选为0.1μm以上2μm以下，并且平均厚度的上限更优选为1.5μm，进一步优选为1μm，平均厚度的下限更优选为0.2μm，进一步优选为0.3μm。作为整个多层结构，外层的平均厚度小于0.1μm使得外层的效果不充分，并且作为整个多层结构，外层的平均厚度大于2μm在效果方面差别不大，有时会带来经济上的缺点。

构成多层结构的各层的平均厚度优选为0.05μm以上1μm以下，平均厚度的上限更优选为0.8μm，进一步优选为0.6μm，平均厚度的下限更优选为0.1μm，进一步优选为0.2μm。各层的平均厚度小于0.05μm使得由多层结构带来的效果不充分，各层的平均厚度大于1μm在效果方面差别不大，有时会带来经济上的缺点。

可以通过与上述测量基材组成的方法相同的方法确认构成内层和外层的各层的组成。即，在覆盖有覆膜的基材上制作观察用抛光面。使用EDX在x5000的放大倍率下在任意五个位置(五个视野)处对观察用抛光面上的覆膜部分进行观察，并进行元素分析，求得每个元素的五个视野中的值的平均值，并且可以将平均值定义为组成。在此，对于构成覆膜的每个层，设定覆膜部分的任意五个位置(五个视野)。层之间的界面出现在观察用抛光面上，以使得能够弄清楚层之间的位置关系，从而可以对每个层设置任意五个位置(五个视野)。

此外，可以使用扫描电子显微镜(SEM)进行观察以测定覆膜、构成覆膜的内层和外层、Al₂O₃层和构成外层的多层结构的每个层的膜厚度。具体而言，首先，沿着与后刀面的法线平行的平面切割至少覆膜覆盖的基材的后刀面，以露出后刀面的截面。随后，抛光该暴露的截面的至少覆膜部分(覆膜截面)，以制作观察用抛光面。在该观察用抛光面上，在覆膜、构成覆膜的内层和外层、Al₂O₃层和构成外层的各层的各观察用抛光面的任意五个位置(五个视野)处进行观察，使用SEM在x5000的放大倍率下测定覆膜、构成覆膜的内层和外层、以及Al₂O₃层的膜厚度，并且在x20000的放大倍率下测定构成外层的每个层的膜厚度，得到五个视野中的膜厚度的值。最后，求得五个视野中的值的平均值，并可将其定义为平均厚度。

对于覆膜的截面的抛光，可以使用常规已知的方法。抛光覆膜的截面可以通过例如与上述测定基材组成的方法相同的方法，即通过使用离子铣削的方法进行。例如，离子铣削的条件如下。

加速电压：6kV

照射角度：距基材后刀面的法线方向0到5°

照射时间：6小时

然后，可以用如上所述的SEM观察已经平滑化的覆膜的观察用抛光面。

在此，用SEM观察覆膜的表面和构成覆膜的各层之间的界面，以确认许多表面和界面不是平滑的面，而是具有凹凸的面。因此，关于在视野中覆膜的截面上出现的对应于覆膜表面的轮廓和对应于各层之间的界面的边界，许多轮廓和边界也不是直线而是波浪线。因此，在测定覆膜和每个层的膜厚度时，首先确定的是视野中每条线的顶点和底点之间的中点。此外，设置通过该中点并且与基材的表面(后刀面)平行的各条虚拟线，并且将虚拟线定义为基准线。接下来，按顺序设置对应于轮廓和边界的基准线，以有利地将基准线之间的距离定义为覆膜或每个层的膜厚度。

(内层和外层之间的界面中的空隙)

在本实施方案中，覆膜优选在内层和外层之间的界面中包括多个空隙。空隙的平均直径为10nm以上100nm以下。此外，在沿着与基材的后刀面的法线平行的平面切割覆膜而获得的覆膜的截面上，空隙的密度为0.1至2个/μm。通过如后述的制造表面被覆切削工具的方法那样控制成膜条件，使这些空隙具有预定范围内的平均直径并以预定密度包含在内层和外层之间的界面中。根据本实施方案的表面被覆切削工具包括这样的空隙，从而能够有效地降低外层和内层之间的密着强度，由此使得外层在切削加工期间能够非常容易地剥离。

此处，短语“在界面中包括多个空隙”意味着以下内容。也就是说，准确地说，界面上空隙的存在消除了存在空隙位置处的界面。然而，在本说明书中，假定没有空隙而能够存在的界面，覆膜被认为是“在界面中包括多个空隙”而描述如下。

空隙的平均直径更优选为20nm以上80nm以下。空隙的平均直径小于10nm使有效降低外层和内层之间的密着强度的作用不足。空隙的平均直径大于100nm可能使外层在切削加工期间有效地剥离外层之前被剥离。

在通过沿与基材的后刀面的法线平行的平面切割覆膜而获得的覆膜的截面上，空隙的密度更优选为0.3至1.8个/μm。空隙的密度小于0.1个/μm使得有效降低外层和内层之间的密着强度的作用不足。空隙的密度大于2个/μm可能使外层在切削加工期间有效地剥离外层之前被剥离。

空隙的平均直径和密度可以以与上述测量覆膜、内层、外层等的膜厚度的方法相同的方式通过使用SEM进行观察来测定。准备用于测定上述覆膜的膜厚度的观察用抛光面，并且使用SEM在x20000的放大倍率下，在观察用抛光面上的任意五个位置(五个视野)处进行测量。然而，在五个位置处，每个视野包括外层和内层之间的界面。可以通过以下方式得到空隙的平均直径：从直径为10nm以上的所有空隙中得到视野中的空隙的平均直径，并将平均直径的平均值定义为空隙的平均直径。空隙的密度可以通过以下方式得到：计算用于获得上述平均直径的空隙的数量，从而获得每个视野中的空隙的密度，并将密度的平均值定义为空隙的密度。

这里，在本实施方案中，当测量空隙的平均直径和密度时，在内层和外层之间的界面中即使仅包括其一部分的空隙也是待测量平均直径和密度的对象。通过测量椭圆的短轴来计算作为椭圆的空隙的直径。

<切削刃部分>

(表面粗糙度Ra)

在根据本实施方案的表面被覆切削工具中，切削刃部分的表面粗糙度Ra优选为0.1μm以下。本发明人进行了认真和重复的研究，如稍后所述地例如通过用覆膜覆盖基材，然后在特定条件下对覆膜的表面进行平滑处理，从而使切削刃部分具有显著平滑的表面粗糙度Ra。本发明人已经发现，该方法特别改善了表面被覆切削工具的耐溶着性，同时使得表面被覆切削工具保持了传统的表面被覆切削工具的耐磨性。

在本说明书中，“切削刃部分”是指由切削刃脊以及切削刃脊的附近区域形成的部分，该切削刃脊是前刀面与后刀面相交的部分。这里，切削刃脊的附近区域表示夹在前刀面和后刀面上的虚拟线和切削刃脊之间的区域，其中虚拟线沿着切削刃脊通过距切削刃脊50μm的点。此外，上述基材和基材母材的“切削刃脊部”表示与基材上的“切削刃部分”对应的部分。

然而，当如上所述对基材的切削刃脊部进行诸如珩磨或形成负刃带的表面精加工时，假设切削刃脊还未经受这些类型的表面精加工来描述切削刃脊。这是因为进行这些类型的表面精加工消除了作为线的切削刃脊，因此难以清楚地确定切削刃部分的范围。因此，当表面被覆切削工具经过表面精加工时，切削刃脊被认为是由前刀面和后刀面之间的虚拟延伸的交叉形成的线，以确定切削刃部分的范围。

在本实施方案中，切削刃部分的表面粗糙度Ra更优选为0.08μm以下。此外，切削刃部分的表面粗糙度Ra最优选为0.06μm以下。理想地，切削刃部分具有0μm的表面粗糙度Ra作为下限值。考虑到特别优异的耐溶着性，切削刃部分的表面粗糙度Ra大于0.1μm使得表面粗糙度平滑化的效果不足。

切削刃部分的表面粗糙度Ra可以基于JIS B 0601:2013中使用的术语和定义，根据JIS R 1683:2007并使用原子力显微镜(AFM)来测量。关于表面粗糙度Ra，可以通过在切削刃部分上的任意十个位置处设置10μm×10μm的区域，通过用AFM的探针扫描来测量每个区域的表面形状，并计算测量的十个位置的表面粗糙度Ra的平均值来确定。

在本实施方案中，可以通过在基材上形成覆膜，然后使基材的切削刃部分经受(例如)后面描述的平滑处理来实现切削刃部分的表面粗糙度Ra的0.1μm以下的值。然而，获得表面粗糙度Ra为0.1μm以下的切削刃部分的方法不限于平滑处理，只要所述方法能够实现该值即可。

<<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可以通过以下方法制备：通过组合常规已知的方法准备具有上述构成的基材，适当地控制例如成膜条件，并且用具有上述构成的覆膜覆盖基材。特别地，在用覆膜覆盖之后，优选在预定条件下对基材进行平滑处理。在下文中，描述了制造表面被覆切削工具的方法。

<基材的准备>

(配合和混合原料粉末)

首先，准备具有后述组成的基材用原料粉末。首先，通过常规已知的配合方法将粉末配合以满足7.5质量％至10.5质量％的钴和2质量％至6质量％的第一金属的碳化物且余量为碳化钨和不可避免的杂质的组成。第一金属的种类和不可避免的杂质的种类和含量如上所述。

随后，将通过上述配合获得的配合材料进行湿混。也可以使用常规已知的方法进行湿混。例如，可以使用市售的湿式磨碎机进行湿混约6小时，以制备硬质合金用原料粉末。

(压制成型和烧结)

接下来，将硬质合金用原料粉末装入预定的模具中，并通过常规已知的方法进行压制成型。例如，可以使用市售的压力机在20kPa至50kPa的压力下进行压制成型。此外，烧结经过压制成型的成型体。也可以使用常规已知的方法进行烧结，并且可以通过常规已知的方法在1350℃至1550℃的条件下烧结成型体0.5至2小时，以制备硬质合金的烧结材料。由此，可以制备由硬质合金形成的基材。在此，在本实施方案中，硬质合金用原料粉末和基材具有相同的组成。

(其他步骤)

此外，在根据本实施方案的制造表面被覆切削工具的方法中，作为另一步骤，可以对基材的切削刃脊部分进行珩磨或形成负刃带。

<用覆膜覆盖>

表面被覆切削工具可以通过用CVD法用覆膜覆盖由硬质合金形成的基材的表面来适当地制造。覆膜以内层和外层的顺序形成。

(内层的形成)

当形成除Al₂O₃层以外的层作为内层时，可以通过常规已知的方法形成这些层。可以通过适当地设置成膜时间来调整Al₂O₃层和其他层的厚度(各层中的成膜速度为约0.5μm/h至2μm/h)。

内层可以通过例如CVD法如下形成。即，通过已知方法在基材上形成TiCN层，在基材和TiCN层之间插入或不插入另一层，并且在该TiCN层的表面上形成TiCNO层。此外，通过引入后文描述的原料气体来氧化TiCNO层的表面，并进行α-Al₂O₃晶粒的成核，然后加速Al₂O₃晶粒的生长以形成Al₂O₃层。

例如，在Al₂O₃层的形成中，配合在原料气体中的各种气体的配合量为：AlCl₃为1.3体积％至2.5体积％，HCl为2体积％至6体积％，H₂S为0.2体积％至2体积％，并且CO₂为0.6体积％至6体积％，余量为H₂。此时，在CVD装置中，炉温设定为950℃至1050℃，炉压设定为5hPa至150hPa。Al₂O₃层优选形成为具有0.5μm至4μm的平均厚度。

(外层的形成)

在形成内层之后，可以通过CVD法通过成膜来形成外层。此时，优选在形成Al₂O₃层之后将由两种组分(即氢气和二氧化碳)形成的混合气体引入到Al₂O₃层上。该工序能够使Al₂O₃层的表面含有少量水分，以使具有上述平均直径和密度的空隙存在于Al₂O₃层和随后形成的外层之间的界面区域中。混合气体中H₂和CO₂之间的比率优选为H₂:CO₂＝70:1至30:1。

外层形成为包括三层或更多层的堆叠结构。此外，构成多层结构的每个层都含有钛。特别地，优选通过堆叠包括TiC层和TiN层的三层或更多层来形成外层。此外，外层更优选包括TiC层作为与包含在内层中的Al₂O₃层接触的层。例如，外层可以形成为具有三层结构，包括作为与Al₂O₃层接触的层的TiC层，堆叠在TiC层上的TiN层，以及选自TiCN、TiBN、TiCNO、TiZrN、TiZrCrN和TiC中的一层作为堆叠在该TiN层上的最外层。应注意，外层具有包括三层或更多层的多层结构，并且外层可具有四层、五层或多于五层。

包括在外层中的每个层可以通过常规已知的方法形成。可以通过适当地设置成膜时间来调整各层的厚度(各层中的成膜速度为约0.5μm/h至2μm/h)。因此，可以制造这样的表面被覆切削工具，该切削工具包括基材，所述基材的表面覆盖有由内层和外层形成的覆膜。

<平滑处理>

此外，在本实施方案中，可以对包括表面被覆膜覆盖的基材的表面被覆切削工具的切削刃部分进行平滑处理。作为平滑处理，例如可以进行刷涂。刷涂可以通过例如以下方式进行：对于切削刃部分被覆有平均粒径为10μm以下的金刚石膏的表面被覆切削工具，将前刀面的中心的通孔设置为轴线，以约15rpm至50rpm的速度使切削工具旋转约0.2分钟，与此同时，用尼龙刷刮擦切削刃部分，然后对切削刃部分进行空气冷却。在本实施方案的平滑处理中，优选重复该操作三至五次。这使得切削刃部分的表面粗糙度Ra为0.1μm以下。也就是说，可以将夹在前刀面和后刀面上的虚拟线和切削刃脊之间的区域制成表面粗糙度Ra为0.1μm以下的显著平滑的区域，该虚拟线沿切削刃脊通过距切削刃脊50μm的点。

关于平滑处理，可以应用除刷涂之外的常规广泛已知的各种类型的喷砂(例如喷砂和喷丸)，只要切削刃部分可以制成具有0.1μm以下的表面粗糙度Ra即可。

实施例

在下文中，参考实施例更详细地描述本发明。然而，本发明不限于这些实施例。

在本实施例中，除非另有说明，否则构成覆膜的层(内层和外层)通过CVD法形成，并且下表1示出了该方法的条件。

[表1]

在表1中，“原料气体的组成”是指用于通过CVD法形成各层的气体的组成，并且“温度”和“压力”是指形成期间的温度和压力。

在表1中，“TiN(最下层)”表示以与基材表面直接接触的方式形成TiN层的情况，“TiN(除最下层之外)”表示在最下面的位置以外的堆叠位置形成TiN层的情况。由MT-TiCN表示的是在相对低的成膜温度(850℃至900℃)下形成TiCN层的情况(下文称为“MT-TiCN层”)。由κ-Al₂O₃表示的是由具有κ型晶体结构的Al₂O₃形成的层的形成条件(下文中，描述为“κ-Al₂O₃层”)，并且由α-Al₂O₃表示的是由具有α型晶体结构的Al₂O₃形成的层的形成条件(下文中，描述为“α-Al₂O₃层”)。

<基材的准备>

首先，为了准备对应于样品No.1至11的基材，通过上述方法制备九种类型的硬质合金原料粉末，将其在35kPa的压力下压制，随后在1450℃、在真空气氛中烧结1小时以制备对应于样品No.1至11的基材母材。此外，通过SiC刷衍磨对这些基材母材的切削刃脊部进行切削刃精加工，以赋予前刀面与后刀面相交的部分半径约为50μm的圆度(R)，从而制备对应于样品No.1至11的基材(由硬质合金制成)，其具有与CNMG120408(JIS B 4120:2013)中的切削工具的形状相同的形状。表2示出了样品No.1至11中每种基材的组成。

例如，样品No.1中的基材的组成为8质量％的Co、3.4质量％的TiC、1.0质量％的TaC和1.5质量％的NbC，余量为WC和不可避免的杂质(表2没有示出不可避免的杂质)。样品No.1至11的基材中含有的碳化物的晶体均为立方晶。在本实施例中，为样品No.1至11中的每一个制备4个基材。

[表2]

样品No.	基材的组成
		1	Co(8.0％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)
2	Co(9.0％)-TiC(3.0％)-TaC(0.5％)-NbC(1.0％)-ZrC(1.0％)-WC(余量)
		3	Co(9.5％)-TiC(2.0％)-TaC(1.0％)-NbC(1.0％)-ZrC(0.5％)-WC(余量)
4	Co(10.0％)-TiC(1.0％)-TaC(0.2％)-NbC(1.0％)-ZrC(0.2％)-WC(余量)
		5	Co(8.0％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)
6	Co(10.7％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)
		7	Co(8.0％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)
8	Co(11.0％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)
		9	Co(9.0％)-TiC(3.0％)-TaC(0.5％)-NbC(0.8％)-ZrC(1.0％)-WC(余量)
10	Co(9.0％)-TiC(3.0％)-TaC(0.5％)-NbC(0.8％)-ZrC(1.0％)-WC(余量)
		11	Co(8.0％)-TiC(3.4％)-TaC(1.0％)-NbC(1.5％)-WC(余量)

<用覆膜覆盖>

(内层的形成)

接下来，在表1中描述的每层的形成条件下，在样品No.1至11中的每个基材的整个表面上依次形成作为内层的TiN层、MT-TiCN层、TiCNO层和Al₂O₃层(与外层接触的层)。表3示出了构成内层的每个层的膜结构和膜厚度。

(外层的形成)

接下来，在表1中描述的每层的形成条件下，以具有表3中所示的膜结构和膜厚度的方式，对于其中形成有内层的样品No.1至11形成外层。在本实施例中，如后所述，样品No.1至8对应于实施例，样品No.9至11对应于比较例。

在本实施例中，特别是对于样品No.1和3，在形成Al₂O₃层之后，将由氢气和二氧化碳形成的混合气体引入到Al₂O₃层上，以使得Al₂O₃层的表面含有少量水分。混合气体中氢气和二氧化碳之间的体积比为H₂:CO₂＝50:1。此外，在引入混合气体期间，CVD装置中的温度为1000℃，压力为10kPa。

[表3]

<平滑处理>

最后，对其中形成有外层的各个样品No.1至11的切削刃部分进行刷涂作为平滑处理。刷涂的条件如下。

切削刃部分的涂布材料：金刚石膏(平均粒径：10μm以下)

转速：50rpm

切削深度：1.0mm

刷子材料：尼龙

刷涂后的空气冷却时间：1分钟

此外，表4示出了刷涂时间(每一次)和对各样品No.1至11的切削刃部分进行刷涂的次数。

[表4]

<试验内容>

对于如上所述获得的样品No.1至11的表面被覆切削工具，对于每个样品No.1至11准备4件。对于样品No.1至11的4件中的一件，使用AFM测量切削刃部分的表面粗糙度Ra。测量方法如上所述。

对于样品No.1至11中的另一件，使用上述测量方法求得沿着内层和外层之间的界面区域存在的多个空隙的平均直径和密度。对于样品No.1至11的另一件评价耐磨性，对于再一件评价耐溶着性。耐磨性和耐溶着性的评价分别基于以下条件下的切削试验进行。

(用于评价耐磨性的切削试验)

工件：SCM435(JIS)

切削速度：250m/min

进给量：0.3mm/rev

切削深度：2.0mm

湿/干：湿式

切削时间：20min

(用于评价耐溶着性的切削试验)

工件：SCM415(JIS)

切削速度：80m/min

进给量：0.3mm/rev

切削深度：1.5mm

湿/干：湿式

切削时间：5min

<评价>

表4示出了通过AFM得到的切削刃部分的表面粗糙度Ra、耐磨性和耐溶着性的评价结果。具有较小值的表面粗糙度Ra表示更平滑的表面，并且更有助于改善耐溶着性。在耐磨性的评价中，在切削20分钟后测量后刀面上的磨损量(Vb)。具有较小值的Vb表示更优异的耐磨性。此外，在评价耐溶着性时，在切削5分钟后观察切削刃部分上的溶着状态。在表4中，在评价耐溶着性时的表述“无溶着”意味着既不发生溶着也不发生崩裂，表述“发生轻微溶着”意味着确认了少量溶着但是溶着程度不影响继续对于工件的切削加工并且没有发生崩裂，表述“发生溶着”意味着确认溶着但没有发生崩裂，并且表述“发生溶着和崩裂”意味着溶着和崩裂都发生。

此外，表4示出了由例如字母A表示的性能等级，并且等级定义如下。

A：耐磨性和耐溶着性非常优异(满足表面粗糙度Ra为0.1以下、Vb为0.161以下、切削刃状态为无溶着的全部三项)

B：耐磨性和耐溶着性优异(满足表面粗糙度Ra为0.1以下、Vb为0.161以下、切削刃状态为无溶着的全部三项中的两项)

C：耐磨性和耐溶着性不足(不能满足表面粗糙度Ra为0.1以下、Vb为0.161以下、切削刃状态为无溶着的全部三项中的两项)

表4阐明了与对应于比较例的样品No.9至11的表面被覆切削工具相比，对应于实施例的样品No.1至8的全部表面被覆切削工具具有相同或更优异的表面粗糙度Ra和耐磨性，并且在耐溶着性方面更优异。

特别地，在制备覆膜的过程中通过将由氢气和二氧化碳形成的混合气体引入到Al₂O₃层上而制备的样品No.1和3，以及样品No.2、6和7在表面粗糙度Ra、空隙的平均直径和密度、外层的膜结构、以及基材(硬质合金)的钴含量中的任一方面是合适的，使得样品的耐磨性和耐溶着性非常优异。

如上所述，已经描述了本发明的实施方案和实施例，并且已经计划从一开始就适当地组合上述实施方案和实施例的构成。

这次公开的实施方案和实施例被认为是示例性，而不应当认为在所有方面是限制性的。本发明的范围由权利要求书限定，而不是由上述实施方案限定，并且旨在包括在与权利要求等同的范围和含义内的任何修改。

Claims (7)

1.一种表面被覆切削工具，包括基材和覆膜，该覆膜设置在所述基材上并形成为覆盖后刀面的至少一部分，

其中，

所述覆膜包括内层和形成在所述内层上的外层，

所述内层由至少一层形成，并包括氧化铝层作为与所述外层接触的层，

所述外层具有多层结构，该多层结构包括彼此堆叠的三层或更多层，并且

构成所述多层结构的每个层都含有钛。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，

所述覆膜在所述内层和所述外层之间的界面中包括多个空隙，并且

所述空隙的平均直径为10nm以上100nm以下，并且在沿着与所述后刀面的法线平行的平面切割所述覆膜而获得的所述覆膜的截面中，所述空隙的密度为0.1至2个/μm。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中，所述表面被覆切削工具的切削刃部分的表面粗糙度Ra为0.1μm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，所述多层结构包括碳化钛层和氮化钛层。

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，所述多层结构包括碳化钛层作为与所述氧化铝层接触的层，所述氧化铝层是包含在所述内层中并且与所述外层接触的层。

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，

所述基材由硬质合金形成，

作为组成，所述硬质合金含有7.5质量％至10.5质量％的钴和2质量％至6质量％的第一金属的碳化物，余量为碳化钨和不可避免的杂质，并且

所述第一金属是选自由元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素构成的组中的至少一种金属。

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，作为包含在所述内层中并且与所述外层接触的层的所述氧化铝层的平均厚度为0.5μm至4μm。