CN110709198A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

一种表面被覆切削工具，包括基材以及被覆所述基材的覆膜。所述覆膜包括含有以WC1‑x(x为0.54至0.58)表示的化合物的WC1‑x层。以WC1‑x表示的化合物包含六方晶体结构。

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。本申请要求基于2018年3月19日递交的日本专利申请No.2018-051011的优先权，该日本专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
背景技术
一直以来，人们为了实现切削工具的长使用寿命而进行了各种研究。例如，日本专利特开No.06-262405(专利文献1)披露了用于切削工具或研磨工具的被覆部件，其中在基材的表面上存在包含30体积％以上的立方碳化钨且膜厚为0.5μm至100μm的覆膜。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.06-262405
发明内容
根据本公开的表面被覆切削工具为包括基材以及被覆基材的覆膜的表面被覆切削工具，其中
覆膜包括由以WC1-x表示的化合物构成的WC1-x层，其中x为0.54以上0.58以下，并且
所述以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构。
附图说明
图1为示出表面被覆切削工具的一种实施方式的透视图。
图2为本实施方案的一种实施方式中的表面被覆切削工具的示意性截面图。
图3为本实施方案的另一种实施方式中的表面被覆切削工具的示意性截面图。
图4为本实施方案的又另一种实施方式中的表面被覆切削工具的示意性截面图。
具体实施方式
[本公开所解决的问题]
在专利文献1中的被覆膜覆盖的切削工具中，金属钨作为副产物残留于覆膜中。因此，耐磨性、耐破损性等对于高速高效加工而言是不足的。因此，存在改善的空间。
鉴于上述情况完成了本公开，本公开的目的是提供具有优异的耐破损性的表面被覆切削工具。
[本公开的有益效果]
根据上述说明，能够提供具有优异的耐破损性的表面被覆切削工具。
[实施方案的说明]
[1]根据本公开的表面被覆切削工具为包括基材以及被覆基材的覆膜的表面被覆切削工具，其中
覆膜包括由以WC1-x表示的化合物构成的WC1-x层，其中x为0.54以上0.58以下，并且
所述以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构。
通过上述构成，表面被覆切削工具具有优异的韧性。由此，表面被覆切削工具具有优异的耐破损性。
[2]WC1-x层与基材接触。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性。
[3]WC1-x层不包含游离碳。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性。
[4]WC1-x层的膜硬度为3700mgf/μm2以上4500mgf/μm2以下。通过这样限定，表面被覆切削工具不仅具有优异的耐破损性，而且还具有优异的耐磨性。
[5]覆膜还包括形成于WC1-x层上的硬质覆层，
所述硬质覆层至少包括组成不同于WC1-x层的组成的第一单元层，并且
第一单元层由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素、6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性和优异的耐磨性。
[6]第一单元层的厚度为0.1μm以上10μm以下。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性和优异的耐磨性。
[7]硬质覆层还包括组成不同于WC1-x层和第一单元层的组成的第二单元层，
第二单元层由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素、6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成，并且
一个或多个第一单元层以及一个或多个第二单元层彼此交替层叠以形成多层结构。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性和优异的耐磨性。
[8]当硬质覆层包括上述多层结构时，第一单元层的厚度为1nm以上100nm以下，并且第二单元层的厚度为1nm以上100nm以下。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性和优异的耐磨性。
[9]覆膜的厚度为0.1μm以上10μm以下。通过这样限定，表面被覆切削工具具有更优异的耐破损性和优异的耐磨性。
[10]基材包括选自由硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、cBN烧结体和金刚石烧结体构成的组中的至少一种。通过这样限定，表面被覆切削工具在高温下具有优异的硬度和强度。
[本公开的实施方案的详述]
以下描述了本公开的一个实施方案(下文中称作“本实施方案”)。然而，本实施方案不限于此。在本说明书中，表述“A至B”表示下限至上限的范围(即，A以上B以下)。当未指明A的单位而仅指明B的单位时，A与B的单位相同。此外，在本说明书中，当通过未限定组成元素比的化学式表示化合物(例如“TiN”)时，认为该化学式包括所有常规已知的组成比(元素比)。在这种情况中，认为上述化学式不仅包括化学计量组成，而且还包括非化学计量组成。例如，化学式“TiN”不仅包括化学计量组成“Ti1N1”，而且还包括非化学计量组成如“Ti1N0.8”。这也适用于“TiN”之外的化合物。
<<表面被覆切削工具>>
根据本公开的表面被覆切削工具为包括基材以及被覆基材的覆膜的表面被覆切削工具，其中
覆膜包括由以WC1-x表示的化合物构成的WC1-x层，其中x为0.54以上0.58以下，并且
所述以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构。
本实施方案的表面被覆切削工具(下文中也简称为“切削工具”)包括基材以及被覆基材的覆膜。上述切削工具的实例包括钻头、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、车削用替换型切削刀片、金属锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥等。
图1为示出表面被覆切削工具的一种实施方式的透视图。例如，将具有这种形状的表面被覆切削工具用作替换型切削刀片。表面被覆切削工具10具有前刀面1、后刀面2以及前刀面1和后刀面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为彼此相连且切削刃棱线部分3介于前刀面1和后刀面2之间的表面。切削刃棱线部分3构成了表面被覆切削工具10的切削刃尖端部分。还可以理解的是，这种表面被覆切削工具10的形状对应于表面被覆切削工具的基材的形状。即，基材具有前刀面、后刀面、以及将前刀面和后刀面彼此连接的切削刃棱线部分。
<基材>
对于本实施方案的基材，可使用任何常规已知的用于该用途目的的基材。例如，基材优选包括选自由以下材料构成的组中的至少一种：硬质合金(例如，碳化钨(WC)基硬质合金、除了包含WC之外还包含Co的硬质合金、或者除了WC之外还添加有Cr、Ti、Ta和Nb等的碳氮化物的硬质合金)；金属陶瓷(包含TiC、TiN、TiCN等作为主要成分)；高速钢；陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)；立方氮化硼烧结体(cBN烧结体)；和金刚石烧结体。基材更优选包括选自由硬质合金、金属陶瓷和cBN烧结体构成的组中的至少一种。
应当注意的是，当使用硬质合金作为基材时，即使硬质合金的结构中包含游离碳或被称为η相的异常相时，也能够展现出本实施方案的效果。应当注意的是，本实施方案中使用的基材可具有改质表面。例如，在硬质合金的情况中，可在表面上形成脱β层。在金属陶瓷的情况中，可形成表面硬化层。即使当对表面进行这种改质时，也会展现出本实施方案的效果。
当表面被覆切削工具为替换型切削刀片(如铣削用替换型切削刀片)时，可包括具有断屑器的基材或不具有断屑器的基材。对于切削刃的棱线部分的形状，包括任何如下形状：锐边(前刀面和后刀面相交处的棱)；珩磨(通过使锐边具有弧度而获得的形状)；负刃带(negative land，斜削的形状)；以及通过使珩磨与负刃带组合而获得的形状。
<覆膜>
根据本实施方案的“覆膜”通过被覆基材的至少一部分(例如，将在切削过程中与工件接触的部分)，从而具有改善切削工具的各种特性(如耐破损性、耐磨性等)的功能。覆膜可被覆基材的全部表面。应当注意的是，未被覆基材的一部分的覆膜以及在构成上部分地不同的覆膜也不脱离本实施方案的范围。
覆膜的厚度优选为0.1μm以上10μm以下，更优选为0.3μm以上10μm以下，进一步优选为0.5μm以上10μm以下，又进一步优选为1μm以上6μm以下，尤其优选为1.5μm以上4μm以下。如果该厚度小于0.1μm，则耐磨性趋向于降低。如果该厚度大于10μm，则当在断续加工期间在覆膜和基材之间施加大的应力时，趋向于非常频繁地发生覆膜的剥离或破坏。此处，覆膜的厚度是指覆膜中所包括的层的各自厚度的总和，这些层例如为下述的WC1-x层、硬质覆层和下底层。例如，可通过如下方式确定覆膜的厚度：使用透射电子显微镜(TEM)测定与基材表面的法线方向平行的截面样品中的任意三点处的厚度，并确定这三点处的测定厚度的平均值。这同样适用于下文所述的WC1-x层、硬质覆层(第一单元层和第二单元层)和下底层的各自厚度的测定。透射电子显微镜的实例包括JEM-2100F(商品名)，其为由JEOL提供的球面像差校正装置。
(WC1-x层)
覆膜包括由以WC1-x表示的化合物构成的WC1-x层。“以WC1-x表示的化合物”(下文中也称为“WC1-x”)是指碳化钨，其中当钨元素(W)的元素比为1时，碳元素(C)的元素比为1-x。WC1-x层可包含不可避免的杂质，只要不损害由根据本实施方案的表面被覆切削工具所展示的效果即可。不可避免的杂质的含量比优选为WC1-x层的总质量的0质量％以上0.2质量％以下。这同样适用于下述的“硬质覆层”和“其他层”，即，这些层中可包含不可避免的杂质，只要不损害由根据本实施方案的表面被覆切削工具所展示的效果即可。
x为0.54以上0.58以下，优选为0.55以上0.57以下，更优选为0.56以上0.569以下。当x小于0.54时，会在WC1-x的晶粒边界处析出游离碳，从而使强度趋于降低。另一方面，当x大于0.58时，晶粒边界的强度趋于降低。因此，当x落在上述范围之外时，不能抑制开裂的进行，从而导致韧性趋于降低。本发明人推测这种趋向源自晶体的均质性和应变之间的不适当的平衡。
可通过获得WC1-x层中的与基材表面的法线方向平行的截面样品，并通过使用扫描电子显微镜(SEM)或TEM附带的能量色散X射线光谱分析(EDX)装置分析该截面样品中的晶粒，从而确定x。具体而言，在WC1-x层中的截面样品的任意三个点处测定并确定x的值，并将这三个点处的确定值的平均值视为WC1-x层中的截面样品的x。这里，认为对于“任意三个点”，选取WC1-x层中各自的尺寸为30nm×30nm的任意三个区域。上述EDX装置的实例包括JED-2200(商品名)，其为由JEOL提供的硅漂移探测器。
以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构。例如，可通过对WC1-x层中的上述任意三个点进行X射线衍射测定(XRD测定)并进行分析，从而证实以WC1-x表示的化合物中包含六方晶体结构。例如，当以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构时，会在XRD测定中观察到源于(102)面等晶面的峰。用于X射线衍射测定的装置的实例包括：由Rigaku提供的“SmartLab”(商品名)；由PANalytical提供的“X'pert”(商品名)；等等。
图2为本实施方案的一种实施方式中的表面被覆切削工具的示意性截面图。如图2所示，WC1-x层12优选与基材11接触。换言之，WC1-x层12优选设置在基材11的刚上方。
WC1-x层优选不包含游离碳。此处，描述“不包含游离碳”不仅包括WC1-x层中完全不包含游离碳的情况，而且还包括游离碳小于检测限的情况。术语“游离碳”是指以单质形式存在而未成为WC1-x的构成元素的碳。游离碳的实例包括包含碳-碳双键的碳的单质，如石墨或煤烟。例如，可通过使用X射线光电子能谱法(XPS法)以检验在WC1-x层的表面中的任意三个点处存在/不存在碳-碳双键(在XPS C1s中存在/不存在C＝C峰)，从而证实存在/不存在游离碳。此处，当WC1-x层设置在最外表面时，在通过Ar+溅射等除去自然氧化层之后再进行测定。当WC1-x层不是最外表面时，在通过Ar+溅射等露出WC1-x层之后再进行测定。用于XPS方法的装置的实例包括由ULVAC-PHI提供的Versa Probe III(商品名)。
WC1-x层的膜硬度优选为3700mgf/μm2以上4500mgf/μm2以下，更优选为3800mgf/μm2以上4300mgf/μm2以下。膜硬度可以通过纳米压头测定。具体地，首先，在上述WC1-x层的表面中的任意十个点处测定并确定膜硬度。然后，将这十个点处所确定的膜硬度的平均值视为WC1-x层中的横截面样品的膜硬度。这里，当WC1-x层不是最外表面时，在通过纳米压头进行测定之前，通过机械研磨等暴露WC1-x层。纳米压头的实例包括由Elionix提供的ENT1100(商品名)。
WC1-x层的厚度优选为0.3μm以上7μm以下，更优选为0.5μm以上3μm以下。
(硬质覆层)
该覆膜优选还包括形成在WC1-x层上的硬质覆层。硬质覆层优选至少包括具有不同于WC1-x层的组成的第一单元层。
这里，关于表述“形成在WC1-x层上”，硬质覆层和WC1-x层不需要彼此接触，只要硬质覆层设置在相对于WC1-x层的上侧(远离基材的一侧)即可。换句话说，可在WC1-x层和硬质覆层之间设置其他的层。此外，如图3所示，硬质覆层13可设置在WC1-x层12的刚上方。硬质覆层可为最外层(表面层)。
(第一单元层)
优选的是，第一单元层由选自由元素周期表中的第4族元素、第5族元素、第6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。更优选的是，第一单元层由选自由Cr、Al、Ti和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。元素周期表中的第4族元素的实例包括钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)等。元素周期表中的第5族元素的实例包括钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)等。元素周期表中的第6族元素的实例包括铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)等。
第一单元层中所含的化合物的实例包括TiAlN、TiAlSiN、TiCrSiN、TiAlCrSiN、AlCrN、AlCrO、AlCrSiN、TiZrN、TiAlMoN、TiAlNbN、TiSiN、AlCrTaN、AlTiVN、TiB2、TiCrHfN、CrSiWN、TiAlCN、TiSiCN、AlZrON、AlCrCN、AlHfN、CrSiBON、TiAlWN、AlCrMoCN、TiAlBN、TiAlCrSiBCNO、ZrN、ZrCN等。
当硬质覆层仅由第一单元层构成时(例如，在图3的情况下)，第一单元层(即，硬质覆层)的厚度优选为0.1μm以上10μm以下，并且更优选为0.5μm以上7μm以下。
(第二单元层)
硬质覆层优选还包括第二单元层，其组成不同于WC1-x层和第一单元层的组成。优选的是，第二单元层由选自由元素周期表中的第4族元素、第5族元素、第6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。更优选的是，第二单元层由选自由Cr、Al、Ti和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素的具体实例包括以上示出的元素。
第二单元层中包含的化合物的实例包括：以上(第一单元层)部分中示出的化合物；等等。
此外，优选地，一个或多个第一单元层和一个或多个第二单元层彼此交替层叠以形成多层结构。即，如图4所示，硬质覆层13优选包括多层结构，该多层结构包括第一单元层131和第二单元层132。这里，在多层结构中，第一单元层和第二单元层的层叠可以从第一单元层或第二单元层开始。即，多层结构的WC1-x层侧的界面可由第一单元层或第二单元层构成。此外，多层结构的与WC1-x层侧相对的界面可由第一单元层或第二单元层构成。
当硬质覆层包括上述多层结构时，硬质覆层的厚度优选为0.1μm以上10μm以下，并且更优选为0.5μm以上7μm以下。
当硬质覆层包括上述多层结构时，第一单元层的厚度优选为1nm以上100nm以下，并且更优选为2nm以上25nm以下。此外，第二单元层的厚度优选为1nm以上100nm以下，并且更优选为2nm以上25nm以下。在本实施方案的一个实施方式中，当硬质覆层包括上述多层结构时，优选第一单元层的厚度为1nm以上100nm以下，并且第二单元层的厚度为1nm以上100nm以下。这里，“第一单元层的厚度”是指一个第一单元层的厚度。“第二单元层的厚度”是指一个第二单元层的厚度。
此外，关于多层结构的层数，该实施方案包括层叠一个第一单元层和一个第二单元层的情况，并且优选地，可以层叠20至2500个第一单元层和20至2500个第二单元层，只要整个硬质覆层的厚度落入上述范围内即可。
(其他层)
只要不损害本实施方案的效果，覆膜还可以包括其他层。其他层各自的组成可与WC1-x层和硬质覆层各自的组成不同或相同。其他层的实例包括TiN层、TiWCN层等。应当注意，对这些层的层叠顺序没有特别限制。其他层的实例包括：设置于基材和WC1-x层之间的下底层；设置于WC1-x层和硬质覆层之间的中间层；设置于硬质覆层上的表面层；等等。诸如下底层之类的其他层各自的厚度不受特别限制，只要不损害本实施方案的效果即可。例如，其他层各自的厚度为0.1μm以上2μm以下。
<<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基材准备步骤和WC1-x层被覆步骤。以下，将描述每个步骤。
<基材准备步骤>
在基材准备步骤中，准备基材。作为基材，如上所述，可以使用任何常规已知的用于这种用途的基材。例如，当基材由硬质合金构成时，首先使用商购的磨碎机将具有预定共混组成(质量％)的原料粉末均匀混合。然后，将该粉末混合物压制成形为预定形状(例如，SEET13T3AGSN、CNMG120408NUX等)。然后，在预定的烧结炉中，将压制成形后的粉末混合物在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。此外，市售产品可以不经修饰而用于基材。市售产品的实例包括由Sumitomo Electric Industries HardMetal提供的EH520(商品名)。
<WC1-x层被覆步骤>
在WC1-x层被覆步骤中，基材表面的至少一部分被覆有WC1-x层。这里，表述“基材表面的至少一部分”包括在切削期间与工件接触的部分。
对于用WC1-x层被覆基材的至少一部分的方法没有特别限制；然而，例如可通过物理气相沉积法(PVD法)形成WC1-x层。
作为物理气相沉积法，可以使用常规已知的物理气相沉积法而没有特别限制。这样的物理气相沉积法的实例可包括溅射法、离子镀法、电弧离子镀法、电子离子束沉积法等。当使用材料元素的电离率特别高的阴极电弧离子镀法或溅射法时，在形成覆膜之前，可以对基材表面进行金属或气体离子轰击处理。这是优选的，因为覆膜和基材之间的密着性相应地显著提高。
当通过电弧离子镀法形成WC1-x层时，例如可以采用以下条件。即，首先，将WC靶(例如，由WC构成的C量为3质量％至6.1质量％的烧结靶或熔融靶)设置在装置内的电弧式蒸发源中，将基材温度设定为400℃至550℃，并将装置内的气体压力设定为1Pa至3.5Pa。作为气体，例如引入氩气。然后，在将基材(负)偏压保持在10V至700V且保持为DC或脉冲DC(频率为10kHz至300kHz)的同时，向阴极电极供给80A至150A的电弧电流，并且由电弧式蒸发源产生金属离子等，从而形成WC1-x层。在这种情况下，优选的是，在形成WC1-x层的初始阶段(膜厚度落入0.2μm以下的范围内)，将基材温度设定为400℃至450℃，并且以0.5分钟至2分钟的间隔交替地施加具有10kHz至35kHz的低频的偏压和具有200kHz至300kHz的高频的偏压。用于电弧离子镀法的装置的实例包括由Kobe Steel公司提供的AIP(商品名)。
<硬质覆层被覆步骤>
根据本实施方案的表面被覆切削工具的制造方法优选在WC1-x层被覆步骤之后还包括硬质覆层被覆步骤。硬质覆层可以使用常规方法形成而没有特别限制。具体而言，例如，可以通过上述PVD法形成硬质覆层。
<其他步骤>
除了上述步骤之外，在根据本实施方案的制造方法中，可以适当地进行以下步骤：在基材和WC1-x层之间形成下底层的下底层被覆步骤；在WC1-x层与硬质覆层之间形成中间层的中间层被覆步骤；在硬质覆层上形成表面层的表面层被覆步骤；进行表面处理的步骤；等等。当形成上述其他层如下底层、中间层和表面层时，可以通过常规方法形成其他层。具体地，例如，其他层可以通过上述PVD方法形成。进行表面处理的步骤的实例包括：使用其中金刚石粉末担载于弹性材料中的介质的表面处理；等等。用于进行上述表面处理的装置的实例包括由Fuji Manufacturing提供的Sirius Z等。
实施例
虽然将参考实施例详细描述本发明，但本发明不限于此。
<<表面被覆切削工具的制造>>
<基材准备步骤>
首先，作为基材准备步骤，准备JIS K10碳化物(形状：JIS SEET13T3AGSN)作为基材。接着，将基材设置在电弧离子镀装置(商品名：AIP，由Kobe Steel公司提供)的预定位置。
<WC1-x层被覆步骤>
作为WC1-x层被覆步骤，通过电弧离子镀法在基材上形成WC1-x层。具体而言，进行以下方法。首先，将WC靶(由WC构成的C量为3质量％至6.1质量％的烧结靶或熔融靶)设置在电弧离子镀装置的电弧式蒸发源中。接着，将基材温度设定为400℃至550℃，并将该装置内的气体压力设定为1.0Pa至3.5Pa。作为气体，引入氩气。然后，在将基材(负)偏压保持在10V至700V且保持为DC或脉冲DC(频率为10kHz至300kHz)的同时，向阴极电极供给80A至150A的电弧电流。通过供给电弧电流，由电弧式蒸发源产生金属离子等，从而形成WC1-x层。在此，在形成WC1-x层的初始阶段(膜厚度落入0.2μm以下的范围内)，将基材温度设定为400℃至450℃，并且以0.5分钟至2分钟的间隔交替地施加具有10kHz至35kHz的低频的偏压和具有200kHz至300kHz的高频的偏压。
<下底层被覆步骤>
对于在基材和WC1-x层之间设置有下底层的各样品(实施例19和比较例1)，在进行WC1-x层被覆步骤之前，通过如下步骤在基材上形成下底层。首先，将包含表1所示的下底层的组成栏中的金属组成的靶(烧结靶或熔融靶)设置在电弧离子镀装置的电弧式蒸发源中。接着，将基材温度设定为400℃至650℃，并将装置内的气体压力设定为0.8Pa至5Pa。在为氮化物下底层的情况下，引入氮气和氩气的混合气体作为反应气体。在为碳氮化物下底层的情况下，引入氮气、甲烷气体和氩气的混合气体作为反应气体。然后，向阴极电极供给80A至150A的电弧电流。通过供给电弧电流，由电弧式蒸发源产生金属离子等，从而形成具有表1所示厚度的下底层。
<硬质覆层被覆步骤>
此外，对于在WC1-x层上设置有硬质覆层的各样品(实施例10至16和实施例18)，在进行WC1-x层被覆步骤后，通过如下步骤在WC1-x层上形成硬质覆层，从而制造根据本实施方案的表面被覆切削工具。首先，将含有表1所示的硬质覆层的组成栏中的金属组成的靶(烧结靶或熔融靶)设置在电弧离子镀装置的电弧式蒸发源中。接着，将基材温度设定为500℃至650℃，并将装置内的气体压力设定为0.8Pa至5.0Pa。在为氮化物硬质覆层的情况下，引入氮气和氩气的混合气体作为反应气体。在为碳氮化物硬质覆层的情况下，引入氮气、甲烷气体和氩气的混合气体作为反应气体。在为氧化物硬质覆层的情况下，引入氧气和氩气的混合气体作为反应气体。然后，向阴极电极供给80A至150A的电弧电流。通过供给电弧电流，由电弧式蒸发源产生金属离子等，由此形成具有表1所示厚度的硬质覆层。应注意的是，在形成具有多层结构的硬质覆层时，将表1中从左侧开始依次记载的各组成作为第一单元层和第二单元层反复层叠，直至达到目标厚度。
<<切削工具特性的评价>>
通过使用如上所述制造的样品(实施例1至19和比较例1至3)的切削工具，如下所述评价各切削工具的特性。
使用平行于基材表面的法线方向的截面样品，通过TEM附带的EDX装置(商品名：JED-2200，其为由JEOL提供的硅漂移探测器)测定WC1-x层的组成x。在下述条件下进行测定。具体地，首先，在WC1-x层中的截面样品的任意三个点处测定并确定组成x的值。然后，将这三个点处的确定值的平均值视为WC1-x层中的截面样品的组成x。这里，对于“任意三个点”，选取WC1-x层中各自的尺寸为30nm×30nm的任意三个区域。其结果示于表1中。
EDX方法中的测定条件
加速电压：200kV
探针电流：0.29nA
探针尺寸：0.2nm
通过使用X射线衍射测定(XRD测定)装置(商品名：X'pert，由PANalytical提供)在WC1-x层中的任意三个点处进行测定，以确定WC1-x层中WC1-x的晶体结构。在下述条件下进行测定。其结果示于表1。在表1中，表述“六方”表示包含六方WC1-x，而不包含立方WC1-x。在表1中，表述“六方+立方”表示六方WC1-x和立方WC1-x分别以35质量％和65质量％的比率混合在WC1-x层中。
XRD方法中的测定条件
扫描轴：2θ-θ
X射线源：Cu-Kα射线
Figure BDA0002295730570000141
检测器：零维检测器(闪烁计数器)
管电压：45kV
管电流：40mA
入射光光学系统：利用镜子
光接收光学系统：利用分光晶体(PW3098/27)
步长：0.03°
积分时间：2秒
扫描范围(2θ)：10°到120°
使用XPS方法所用的装置(商品名：Versa Probe III，由ULVAC-PHI提供)以检验在WC1-x层的表面中的任意三个点处存在/不存在碳-碳双键，从而确认WC1-x层中存在/不存在游离碳。应注意，当WC1-x层设置于最外表面时，在通过Ar+溅射等除去自然氧化层之后进行测定。此外，当WC1-x层不是最外表面时，在通过Ar+溅射等暴露WC1-x层之后进行测定。其结果示于表1中。在表1中，“游离碳”栏中的表述“不存在”表示WC1-x层中不包含游离碳，而表述“存在”表示WC1-x层中包含游离碳。
XPS方法中的测定条件
所用的X射线源：单AlKα射线(hν＝1486.6eV)
检测深度：1nm至10nm
X射线束直径：约100μmφ
中和枪：使用双束型
Ar+：加速电压4kV
光栅尺寸：1mm×1mm
溅射速率(Ar+)：SiO2的溅射换算值为28.3nm/min
使用纳米压头(商品名：ENT1100，由Elionix提供)，在下述条件下测定WC1-x层的膜硬度。在这种情况下，首先在WC1-x层的表面中的任意十个点处测定并确定膜硬度。然后，将在这十个点处确定的膜硬度的平均值视为WC1-x层中的膜硬度。应当注意，当WC1-x层不是最外表面时，在用纳米压头进行测定之前，通过机械研磨等使WC1-x层露出。其结果示于表1中。
纳米压头的测定条件
压头：Berkovich
负荷：1gf
载荷时间：10000毫秒
保持时间：2000毫秒
卸载时间：10000毫秒
按照如下方式确定WC1-x层、下底层、硬质覆层(第一单元层和第二单元层)和覆膜各自的厚度。首先，使用透射电子显微镜(TEM)(商品名：JEM-2100F，由JEOL提供)测定在平行于基材表面的法线方向的截面样品中的任意三个点处的厚度。然后，确定这三个点处的测定厚度的平均值。其结果示于表1。表1中“下底层”和“硬质覆层”各栏中的符号“-"表示在覆膜中不存在相应的层。另外，在“硬质覆层”栏中的表述如“TiAlSiN(8nm)/TiSiN(4nm)多层结构(2.0μm)”表示硬质覆层由这样的多层结构(总厚度为2.0μm)构成，在该多层结构中，167层厚度分别为8nm的TiAlSiN层(第一单元层)和167层厚度分别为4nm的TiSiN层(第二单元层)彼此交替层叠。
Figure BDA0002295730570000161
<<切削试验>>
<耐破损性试验>
在下述切削条件下，使用上述制造的样品(实施例1至19和比较例1至3)的各切削工具进行切削，并测定直至切削工具破损时的切削时间，从而评价切削工具的耐破损性。其结果示于表2中。切削时间越长，切削工具可评价为具有更为优异的耐破损性。
(耐破损性试验(面铣试验)中的切削条件)
工件(材料)：Ti-6Al-4V
速度：V40 m/min
进给量：0.1mm/切削刃
切削深度：ad 4mm；ae 10mm
[表2]
Figure BDA0002295730570000181
由切削试验的结果发现，与比较例1至3的切削工具相比，实施例1至19的切削工具具有更优异的耐破损性和更长的工具寿命。这表明实施例1至19的各切削工具适合于涉及高负荷的高速高效加工。
以上已经示出了本发明的实施方案和实施例，但最初还计划对实施方案和实施例的构成进行适当地组合。
本文公开的实施方案和实施例在任何方面都是示意性的，而非限制性的。本发明的范围由权利要求的权项来限定，而不是由以上描述的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：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；12：WC1-x层；13：硬质覆层；131：第一单元层；132：第二单元层。

Claims (10)

1.一种表面被覆切削工具，包括基材以及覆盖所述基材的覆膜，其中
所述覆膜包括由以WC1-x表示的化合物构成的WC1-x层，其中x为0.54以上0.58以下，并且
所述以WC1-x表示的化合物包含六方晶体结构。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述WC1-x层与所述基材接触。
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WC1-x层不包含游离碳。
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WC1-x层的膜硬度为3700mgf/μm2以上4500mgf/μm2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
所述覆膜还包括形成于所述WC1-x层上的硬质覆层，
所述硬质覆层至少包括组成不同于所述WC1-x层的组成的第一单元层，并且
所述第一单元层由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素、6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成。
6.根据权利要求5所述的表面被覆切削工具，其中所述第一单元层的厚度为0.1μm以上10μm以下。
7.根据权利要求5所述的表面被覆切削工具，其中
所述硬质覆层还包括组成不同于所述WC1-x层和所述第一单元层的组成的第二单元层，
所述第二单元层由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素、6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素构成，或者由这样的化合物构成，该化合物由上述元素中的至少一种元素以及选自由碳、氮、氧和硼构成的组中的至少一种元素构成，并且
一个或多个所述第一单元层以及一个或多个所述第二单元层彼此交替层叠以形成多层结构。
8.根据权利要求7所述的表面被覆切削工具，其中所述第一单元层的厚度为1nm以上100nm以下，并且所述第二单元层的厚度为1nm以上100nm以下。
9.根据权利要求1至8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0.1μm以上10μm以下。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的表面被覆切削工具，其中所述基材包括选自由硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、cBN烧结体和金刚石烧结体构成的组中的至少一种。
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