CN111455348A - 被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过具有优异的耐磨性以及耐缺损性而可延长工具寿命的被覆切削工具。该被覆切削工具具备基材、和形成于该基材的表面的被覆层，被覆层从基材侧按顺序包含下部层、中间层和上部层，下部层包含一层或两层以上特定的Ti化合物层，中间层包含α型Al2O3层，上部层包含TiCNO层，被覆层的平均厚度为5.0μm以上30.0μm以下，在从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内并与基材的下部层侧的界面平行的第1截面中，取向差A满足特定的条件，在从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内并与基材的下部层侧的界面平行的第2截面中，取向差B满足特定的条件。

Description

被覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种被覆切削工具。
背景技术
以往，将通过化学气相沉积法在由硬质合金构成的基材的表面以3～20μm的总膜厚蒸镀形成被覆层而得到的被覆切削工具用于钢或铸铁等的切削加工的情况广为人知。作为上述被覆层，例如，已知有由选自Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物以及碳氮氧化物和氧化铝(Al2O3)所组成的群组中的一种的单层或两种以上的多层形成的被覆层。
在专利文献1中记载了一种表面被覆切削工具，其特征在于，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面，蒸镀形成由钛化合物层形成的下部层和由氧化铝层(Al2O3层)形成的上部层作为硬质被覆层，在该表面被覆切削工具中，由氧化铝层(Al2O3层)形成的上部层的(006)面取向系数TC(006)为1.8以上，且(104)面的峰强度I(104)与(110)面的峰强度I(110)之比I(104)/I(110)为0.5～2.0，氧化铝层(Al2O3层)内的残余应力值的绝对值为100MPa以下。
专利文献
专利文献1：日本特开2013-132717号公报
发明内容
在近年来的切削加工中，高速化、高进给化以及深进刀化日益显著，人们要求工具的耐磨性以及耐缺损性与以往相比进一步提高。尤其是，近年来，钢的高速切削等向被覆切削工具施加载荷的切削加工增加，在这样严苛的切削条件下，以往的工具会发生由于被覆层的粒子脱落而引起的凹陷磨损(crater wear)以及缺损。因而存在由此导致无法延长工具寿命的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种通过具有优异的耐磨性以及耐缺损性而可延长工具寿命的被覆切削工具。
本发明人们从上述观点出发，对被覆切削工具的工具寿命的延长反复进行了研究。然后，得到如下见解从而完成了本发明：如果形成为包含从基材侧依次层叠α型Al2O3层以及TiCNO层，在α型Al2O3层以及TiCNO层的指定区域内分别使显示指定晶体取向的粒子的比例为特定值以上，并使被覆层的平均厚度在指定范围内等特征的以下结构，则能够通过抑制粒子的脱落而提高耐磨性，并且也能够提高耐缺损性，其结果为可延长工具寿命。
即，本发明如下所述。
[1]一种被覆切削工具，其具备基材、和形成于该基材的表面的被覆层，
上述被覆层从上述基材侧按顺序包含下部层、中间层、和上部层，
上述下部层包含一层或两层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti、与选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素的Ti化合物构成，上述中间层包含由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，上述上部层包含由TiCNO构成的TiCNO层，
上述被覆层的平均厚度为5.0μm以上30.0μm以下，
在第1截面中，取向差A满足以下述式(i)表示的条件，上述第1截面在从上述中间层的上述上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内，且与上述基材的上述下部层侧的界面平行，
在第2截面中，取向差B满足以下述式(ii)表示的条件，上述第2截面在从上述上部层的上述中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内，且与上述基材的上述下部层侧的界面平行。
RSA≧40 (i)
(式(i)中，RSA为：在上述第1截面中，取向差A为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差A为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差A为上述第1截面的法线与上述中间层中的α型Al2O3层的粒子的(001)面的法线所形成的角度(单位：度)。)
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中，RSB为：在上述第2截面中，取向差B为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差B为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差B为上述第2截面的法线与上述上部层中的TiCNO层的粒子的(111)面的法线所形成的角度(单位：度)。)
[2]如[1]所述的被覆切削工具，其中，上述RSA为50面积％以上。
[3]如[1]或[2]所述的被覆切削工具，其中，上述RSB为50面积％以上。
[4]如[1]～[3]中任一项所述的被覆切削工具，其中，
上述上部层由TiCNO层形成，该TiCNO层含有具有以下述式(1)表示组成的化合物，
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
(式中，x表示N元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，y表示O元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，并满足0.15≦x≦0.65，0.01≦y≦0.20。)
[5]如[1]～[4]中任一项所述的被覆切削工具，其中，上述上部层的平均厚度为1.0μm以上6.0μm以下。
[6]如[1]～[5]中任一项所述的被覆切削工具，其中，上述中间层的平均厚度为3.0μm以上15.0μm以下。
[7]如[1]～[6]中任一项所述的被覆切削工具，其中，上述下部层的平均厚度为3.0μm以上15.0μm以下。
[8]如[1]～[7]中任一项所述的被覆切削工具，其中，构成上述Ti化合物层的Ti化合物为选自由TiN、TiC、TiCN、TiCNO、TiON以及TiB2组成的群组中的至少一种。
[9]如[1]～[8]中任一项所述的被覆切削工具，其中，上述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或立方氮化硼烧结体中的任一种。
本发明是为了解决该问题而完成的，能够提供一种通过具有优异的耐磨性以及耐缺损性而可延长工具寿命的被覆切削工具。
附图说明
图1为表示本发明的被覆切削工具的一个例子的截面模式图。
具体实施方式
下面，根据需要参照附图，对用于实施本发明的方式(以下，简称为“本实施方式”。)进行详细说明，但本发明不限定于下述本实施方式。本发明在不脱离其主旨的范围内可进行各种各样的变形。应予说明，在附图中，上下左右等位置关系只要没有特别说明，则基于附图所示的位置关系。进而，附图的尺寸比例不限定于图示的比例。
本实施方式的被覆切削工具具备基材、和形成于该基材的表面的被覆层，被覆层从基材侧依次包含下部层、中间层、和上部层，下部层包含一层或两层以上的由Ti、与选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素的Ti化合物构成的Ti化合物层，中间层包含由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，上部层包含由TiCNO构成的TiCNO层，被覆层的平均厚度为5.0μm以上30.0μm以下，在第1截面中，取向差A满足以下述式(i)表示的条件，该第1截面在从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内，且与基材的下部层侧的界面平行，在第2截面中，取向差B满足以下述式(ii)表示的条件，该第2截面在从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内，且与基材的下部层侧的界面平行。
RSA≧40 (i)
(式(i)中，RSA为：在第1截面中，取向差A为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差A为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差A为第1截面的法线与中间层中的α型Al2O3层的粒子的(001)面的法线所成的角度(单位：度)。)
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中，RSB为：在第2截面中，取向差B为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差B为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差B为第2截面的法线与上部层中的TiCNO层的粒子的(111)面的法线所成的角度(单位：度)。)
本实施方式的被覆切削工具通过具备上述结构，能够提高耐磨性以及耐缺损性，其结果为可延长工具寿命。可认为本实施方式的被覆切削工具的耐磨性以及耐缺损性提高的主要原因如下。但是，本发明不受以下的主要原因的任何限制。即，首先，本实施方式的被覆切削工具通过使被覆层的平均厚度为5.0μm以上，耐磨性提高，通过使被覆层的平均厚度为30.0μm以下，被覆层的与基材的粘着性以及耐缺损性提高。本实施方式使用的被覆层的中间层具有α型Al2O3层，α型Al2O3层优先沿(001)面取向，以满足上述式(i)。如果本实施方式的被覆切削工具像这样具有优先沿(001)面取向的α型Al2O3层，则具有优异的耐热性，以此为主因，耐凹陷磨损性优异，因而耐磨性优异。但是，具有优先沿(001)面取向的α型Al2O3层的中间层的粘着性较差，因而，在向被覆切削工具施加载荷这样的切削条件下，可能会发生粒子的脱落。所以，本实施方式的被覆切削工具通过在具有α型Al2O3层的中间层的表面包含具有优先沿(111)面取向以满足上述式(ii)的TiCNO层的上部层，使TiCNO层与α型Al2O3层的粘着性变得良好，以此为主因，能够抑制α型Al2O3层的粒子的脱落，其结果为，耐磨性以及耐缺损性提高。此外，本实施方式的被覆切削工具在上部层中也含有氧“O”，由此，与α型Al2O3层的粘着性提高，进而耐氧化性提高。而且，发明人们认为，通过组合这些结构，本实施方式的被覆切削工具的耐磨性以及耐缺损性提高，其结果为，可延长工具寿命。
图1为表示本实施方式的被覆切削工具的一个例子的截面模式图。被覆切削工具6具备基材1、和形成于基材1的表面的被覆层5，在被覆层5中，下部层2、中间层3以及上部层4从基材侧按此顺序向上方层叠。
本实施方式的被覆切削工具具备基材和形成于该基材的表面的被覆层。作为被覆切削工具的种类，具体而言，可举出用于铣削加工或用于车削加工的刀头更换型切削刀片、钻头以及立铣刀。
本实施方式使用的基材只要能被用作被覆切削工具的基材，则没有特别的限定。作为那样的基材，例如可列举硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体以及高速钢。在它们当中，如果基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方氮化硼烧结体中的任一种，则耐磨性以及耐缺损性更优异，故优选，从相同的观点出发，如果基材为硬质合金，则更优选。
应予说明，基材也可为其表面经过改性的基材。例如，当基材由硬质合金构成时，也可在其表面形成脱β层。此外，当基材由金属陶瓷构成时，也可在其表面形成硬化层。即使像上述般对基材的表面进行改性，也可实现本发明的作用效果。
关于本实施方式使用的被覆层，其平均厚度为5.0μm以上30.0μm以下。在本实施方式的被覆切削工具中，如果被覆层的平均厚度为5.0μm以上，则耐磨性提高，如果被覆层的平均厚度为30.0μm以下，则被覆层的与基材的粘着性以及耐缺损性提高。从相同的观点出发，被覆层的平均厚度更优选为10.0μm以上27.0μm以下，进一步优选为14.8μm以上25.4μm以下。应予说明，对于本实施方式的被覆切削工具中的各层以及被覆层整体的平均厚度，可从各层或被覆层整体中的三处以上的截面测定各层的厚度或被覆层整体的厚度，并计算其算术平均值而求得。
[下部层]
本实施方式使用的下部层包含一层或两层以上的由Ti、与选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素的Ti化合物构成的Ti化合物层。如果被覆切削工具在基材与包含α型Al2O3层的中间层之间具备下部层，则耐磨性以及粘着性提高。
作为Ti化合物层，例如，可列举由TiC构成的TiC层、由TiN构成的TiN层、由TiCN构成的TiCN层、由TiCO构成的TiCO层、由TiCNO构成的TiCNO层、由TiON构成的TiON层以及由TiB2构成的TiB2层。
下部层可由一层构成，也可由多层(例如，两层或三层)构成，优选为由多层构成，更优选为由两层或三层构成，进一步优选为由三层构成。作为构成下部层所包含的Ti化合物层的Ti化合物，从进一步提高耐磨性以及粘着性的观点出发，优选为选自由TiN、TiC、TiCN、TiCNO、TiON以及TiB2组成的群组中的至少一种。此外，如果下部层的至少一层为TiCN层，则耐磨性进一步提高，故优选。在下部层由三层构成的情况下，也可在基材的表面形成TiC层或TiN层作为第1层，在第1层的表面形成TiCN层作为第2层，在第2层的表面形成TiCNO层或TiCO层作为第3层。其中，下部层也可为在基材的表面形成TiN层作为第1层，在第1层的表面形成TiCN层作为第2层，在第2层的表面形成TiCNO层作为第3层。
本实施方式使用的下部层的平均厚度优选为3.0μm以上15.0μm以下。本实施方式的被覆切削工具通过使下部层的平均厚度为3.0μm以上，耐磨性提高。另一方面，本实施方式的被覆切削工具通过使下部层的平均厚度为15.0μm以下，被覆层的剥离被抑制，以此为主因，耐缺损性提高。从相同的观点出发，下部层的平均厚度更优选为3.5μm以上13.0μm以下，进一步优选为4.0μm以上12.5μm以下，特别优选为4.9μm以上12.4μm以下。
从进一步提高耐磨性以及耐缺损性的观点出发，TiC层或TiN层的平均厚度优选为0.05μm以上1.0μm以下。从相同的观点出发，TiC层或TiN层的平均厚度更优选为0.10μm以上0.5μm以下，进一步优选为0.15μm以上0.3μm以下。
从进一步提高耐磨性以及耐缺损性的观点出发，TiCN层的平均厚度优选为2.0μm以上20.0μm以下。从相同的观点出发，TiCN层的平均厚度更优选为2.5μm以上15.0μm以下，进一步优选为3.0μm以上12.0μm以下。
从进一步提高耐磨性以及耐缺损性的观点出发，TiCNO层或TiCO层的平均厚度优选为0.1μm以上1.0μm以下。从相同的观点出发，TiCNO层或TiCO层的平均厚度更优选为0.2μm以上0.5μm以下。
Ti化合物层为由Ti、与选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素的Ti化合物构成的层，但只要能够实现基于下部层的作用效果，则也可微量包含上述元素以外的成分。
[中间层]
本实施方式使用的中间层包含由α型Al2O3构成的α型Al2O3层。对于本实施方式使用的中间层，在第1截面中，取向差A满足以下述式(i)表示的条件，该第1截面在从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内，且与基材的下部层侧的界面平行。
RSA≧40 (i)
(式(i)中，RSA为：在第1截面中，取向差A为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差A为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差A为第1截面的法线与中间层中的α型Al2O3层的粒子的(001)面的法线所成的角度(单位：度)。)
本实施方式的被覆切削工具通过使RSA为40面积％以上，耐凹陷磨损性优异，因此，能够提高耐磨性。从相同的观点出发，RSA优选为50％面积以上(例如，50面积％以上80面积％以下)，更优选为60面积％以上。
RSA可通过以下的方法求出。将在从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内、与基材的下部层侧的界面平行的第1截面中，第1截面的法线和中间层中的α型Al2O3层的粒子的(001)面的法线所成的角度的取向差A为0度以上45度以下的粒子截面的面积的总和(RSATotal)设为100面积％，求出取向差A为0度以上且不足10度的粒子截面的面积的总和相对于RSATotal占了多少面积％，以此作为RSA即可。在求RSA(面积％)时，例如，可使用扫描型电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等所附带的电子背散射衍射装置(EBSD)，对各粒子的截面的面积进行测定。使用EBSD，确定粒子的各晶体的晶体取向，并将确定的各晶体取向的粒子截面的面积划分为例如每5度间距(pitch)的分区，求出每个分区的粒子截面的面积。然后，例如，求出0度以上且不足10度的分区、10度以上且不足20度的分区、20度以上且不足30度的分区以及30度以上45以下的分区的各个分区的粒子截面的面积的总和。应予说明，在这种情况下，0度以上45度以下的粒子截面的面积总和为100面积％。然后，求出上述各分区中的粒子截面的面积相对于总和RSATotal(100面积％)的比例，以此作为RSA即可。应予说明，对于以上述式(i)表示的条件，不一定要在从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的整个范围内满足该条件，在处于上述范围内的任意截面中满足该条件即可。
更具体而言，可通过以下的方法求出。首先，将试样置于FE-SEM。以70度的入射角度、15kV的加速电压以及1.0nA的照射电流对试样照射电子束。对于30μm×50μm的测定范围，优选以0.1μm步长的EBSD设定，求出存在于该范围的粒子截面的取向差。
本实施方式使用的中间层的平均厚度优选为3.0μm以上15.0μm以下。如果中间层的平均厚度为3.0μm以上，则被覆切削工具的前刀面中的耐凹陷磨损性趋于进一步提高，如果中间层的平均厚度为15.0μm以下，则能够进一步抑制被覆层的剥离，被覆切削工具的耐缺损性趋于进一步提高。从相同的观点出发，中间层的平均厚度更优选为3.0μm以上12.0μm以下，进一步优选为3.0μm以上10.0μm以下。
中间层具有由α型氧化铝(α型Al2O3)构成的层即可，只要能够实现本发明的作用效果，也可包含α型氧化铝(α型Al2O3)以外的成分，也可不包含。
[上部层]
本实施方式使用的上部层包含由TiCNO构成的TiCNO层。关于本实施方式使用的上部层，在第2截面中，取向差B满足以下述式(ii)表示的条件，该第2截面在从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内，且与基材的下部层侧的界面平行。
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中，RSB为：在第2截面中，取向差B为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差B为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例(单位：面积％)，取向差B为第2截面的法线与上部层中的TiCNO的粒子的(111)面的法线所形成的角度(单位：度)。)
本实施方式的被覆切削工具通过使RSB为40面积％以上，能够抑制α型Al2O3层的粒子的脱落，因此，耐磨性以及耐缺损性提高。从相同的观点出发，RSB优选为50％面积以上(例如，50面积％以上75面积％以下)。
RSB可通过以下的方法求出。将在从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内、与基材的下部层侧的界面平行的第2截面中，第2截面的法线与上部层中的TiCNO层的粒子的(111)面的法线所形成的角度的取向差B为0度以上45度以下的粒子截面的面积的总和(RSBTotal)设为100面积％，求出取向差B为0度以上且不足10度的粒子截面的面积的总和相对于RSBTotal占了多少面积％，以此作为RSB即可。在求RSB(面积％)时，例如，可使用扫描型电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等所附带的电子背散射衍射装置(EBSD)，对各粒子的截面的面积进行测定。使用EBSD，确定粒子的各晶体的晶体取向，并将确定的各晶体取向的粒子截面的面积划分为例如每5度间距的分区，求出每个分区的粒子截面的面积。然后，例如，求出0度以上且不足10度的分区、10度以上且不足20度的分区、20度以上且不足30度的分区以及30度以上45以下的分区的各个分区的粒子截面的面积的总和。应予说明，在这种情况下，0度以上45度以下的粒子截面的面积总和为100面积％。然后，求出上述各分区中的粒子截面的面积相对于总和RSBTotal(100面积％)的比例，以此作为RSB即可。应予说明，对于以上述式(ii)表示的条件，不一定要在从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的整个范围内满足该条件，在处于上述范围内的任意截面中满足该条件即可。
更具体而言，可通过以下的方法求出。首先，将试样置于FE-SEM。以70度的入射角度、15kV的加速电压以及1.0nA的照射电流对试样照射电子束。对于30μm×50μm的测定范围，优选以1μm步长的EBSD设定，求出存在于该范围的粒子截面的取向差。
本实施方式使用的上部层的平均厚度优选为1.0μm以上6.0μm以下。通过使平均厚度为1.0μm以上，抑制α型Al2O3层的粒子的脱落的效果趋于进一步提高，通过使上部层的平均厚度为6.0μm以下，耐缺损性趋于进一步提高。从相同的观点出发，上部层的平均厚度更优选为1.5μm以上5.0μm以下。
本实施方式使用的上部层优选由TiCNO层形成，该TiCNO层含有具有以下述式(1)表示的组成的化合物。
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
(式中，x表示N元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，y表示O元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，并满足0.15≦x≦0.65，0.01≦y≦0.20。)
关于本实施方式的被覆切削工具，在具有以上述式(1)表示的组成的化合物中，如果x为0.15以上，则韧性提高，因此，耐缺损性趋于进一步提高，另一方面，如果x为0.65以下，则C以及O的含量相对变高，因此，硬度变大，且能够抑制反应磨损，因此耐磨性以及耐氧化性趋于进一步提高。从相同的观点出发，上述式(1)中的x更优选为0.18以上0.50以下，进一步优选为0.20以上0.40以下。此外，关于本实施方式的被覆切削工具，在具有以上述式(1)表示的组成的化合物中，如果y为0.01以上，则能够抑制反应磨损，因此，耐氧化性趋于进一步提高，另一方面，如果y为0.20以下，则C以及O的含量相对变高，因此，硬度变大，且韧性提高，由此，耐磨性以及耐缺损性趋于进一步提高。从相同的观点出发，上述式(1)中的y更优选为0.02以上0.18以下，进一步优选为0.03以上0.15以下。
上部层具有由TiCNO构成的层即可，只要能够发挥本发明的作用效果，则也可包含TiCNO以外的成分，也可不包含。
[外层]
本实施方式使用的被覆层也可在上部层的与基材相反的一侧(即上部层的表面)包含外层。如果外层为由选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si以及Y组成的群组中的至少一种元素、和选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素(优选为N元素)构成的化合物的层，则耐磨性更加优异，故优选。从相同的观点出发，外层更优选为由选自由Ti、Nb、Cr、Al以及Si组成的群组中的至少一种元素、和选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素(优选为N元素)构成的化合物的层，进一步优选为由选自由Ti、Cr、Al以及Si组成的群组中的至少一种元素、和N构成的化合物的层，特别优选为由TiN构成的TiN层。此外，外层可为单层也可为两层以上的多层。
在本实施方式中，外层的平均厚度优选为0.1μm以上1.0μm以下。通过使外层的平均厚度在上述范围内，耐磨性趋于更加优异。从相同的观点出发，外层的平均厚度更优选为0.1μm以上0.5μm以下。
[被覆层的形成方法]
作为构成本实施方式的被覆切削工具中的被覆层的各层的形成方法，例如，可列举以下的方法。但是，各层的形成方法不限定于此。
例如，由Ti的氮化物层(以下，也称为“TiN层”。)形成的Ti化合物层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：5.0～10.0mol％、N2：20～60mol％、H2：剩余部分，将温度设为850～950℃，将压力设为300～400hPa。
由Ti的碳化物层(以下，也称为“TiC层”。)形成的Ti化合物层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：1.5～3.5mol％、CH4：3.5～5.5mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1050℃，将压力设为70～80hPa。
由Ti的碳氮化物层(以下，也称为“TiCN层”。)形成的Ti化合物层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：5.0～7.0mol％、CH3CN：0.5～1.5mol％、H2：剩余部分，将温度设为800～900℃，将压力设为60～80hPa。
下部层中的由Ti的碳氮氧化物层(以下，也称为“TiCNO层”。)形成的Ti化合物层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：3.0～4.0mol％、CO：0.5～1.0mol％、N2：30～40mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1050℃，将压力设为50～150hPa。
由Ti的碳氧化物层(以下，也称为“TiCO层”。)形成的Ti化合物层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：1.0～2.0mol％、CO：2.0～3.0mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1050℃，将压力设为50～150hPa。
由α型Al2O3层(以下，也简称为“Al2O3层”。)形成的中间层例如可通过以下的方法形成。
首先，在基材表面形成由一层以上的Ti化合物层形成的下部层。接着，对那些层中离基材最远的层的表面进行氧化。然后，在离基材最远的层的表面形成α型Al2O3层的核，在形成了该核的状态下，形成α型Al2O3层。
更具体而言，对离上述基材最远的层的表面的酸化在以下条件下进行：将原料组成设为CO：0.1～0.3mol％、CO2：0.3～1.0mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1050℃、将压力设为50～60hPa(氧化工序)。此时的氧化处理时间优选为1～3分钟。
然后，α型Al2O3层的核可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为AlCl3：1.0～4.0mol％、CO：0.05～2.0mol％、CO2：1.0～3.0mol％、HCl：2.0～3.0mol％、H2：剩余部分，将温度设为880～930℃、将压力设为60～80hPa(成核工序)。
然后，α型Al2O3层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为AlCl3：2.0～5.0mol％、CO2：2.5～4.0mol％、HCl：2.0～3.0mol％、H2S：0.15～0.25mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1000℃、将压力设为60～80hPa(成膜工序)。
为了将RSA(面积％)设为特定值以上，控制氧化工序中的氧化处理时间、控制氧化工序以及/或成核工序中的气体组成中的CO的比例、或控制成膜工序中的成膜温度即可。更具体而言，通过增大氧化工序中的氧化处理时间、增大氧化工序以及/或成核工序中的气体组成中的CO的比例、或使成膜工序中的成膜温度大于成核工序中的成核温度，使角度的取向差A在特定范围内的粒子的比例(面积％)增大，从而能够提高RSA。
进而，在α型Al2O3层的表面形成上部层，该上部层由Ti的碳氮氧化物层(以下，也称为“TiCNO层”)形成。
TiCNO层可通过在以下条件下进行的化学气相沉积法来形成：将原料组成设为TiCl4：4.0～8.0mol％、CH3CN：0.8～2.5mol％、C2H4：0～2.0mol％、CO：1.2～3.5mol％、N2：1.0～25.0mol％、H2：剩余部分，将温度设为950～1050℃，将压力设为60～80hPa(上部层形成工序)。
为了将RSB(面积％)设为特定值以上，在上部层形成工序中，控制温度、或控制原料组成中的CH3CN的比例即可。更具体而言，通过增大上部层形成工序中的温度、或增大原料组成中的CH3CN的比例，能够增大RSB(面积％)。
此外，为了控制以上述式(1)表示的组成，适当调整原料组成即可。更具体而言，例如为了增大以上述式(1)表示的组成中的碳(C)的比例，可举出增大原料组成的CO的比例的方法。
本实施方式的被覆切削工具的被覆层中的各层的厚度可通过使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、或FE-SEM等观察被覆切削工具的截面组织来测定。应予说明，对于本实施方式的被覆切削工具中的各层的平均厚度，可在从刀头棱线部朝向被覆切削工具的前刀面的中心部50μm的位置附近，对三处以上测定各层的厚度，并求出其算术平均值。此外，各层的组成可通过使用能量分散型X射线分光器(EDS)或波长分散型X射线分光器(WDS)等从本实施方式的被覆切削工具的截面组织测定。
[实施例]
下面，列举实施例进一步详细地对本发明进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
作为基材，准备具有CNMG120412形状并具有88.9WC-7.9Co-1.5Ti N-1.4NbC-0.3Cr3C2(以上为质量％)的组成的硬质合金制的切削刀片以及具有CN MG120412形状并具有89.7WC-7.1Co-1.5TiN-1.5NbC-0.2Cr3C2(以上为质量％)的组成的硬质合金制的切削刀片。在利用SiC刷对该基材的刀头棱线部实施圆角珩磨后，清洗基材的表面。
[发明品1～17以及比较品1～9]
在清洗基材的表面后，通过化学气相沉积法形成被覆层。首先，将基材装入外热式化学气相沉积装置，在表1所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在基材的表面以表6所示的平均厚度形成表6所示组成的第1层。接着，在表1所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在第1层的表面以表6所示的平均厚度形成表6所示组成的第2层。接着，在表1所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在第2层的表面以表6所示的平均厚度形成表6所示组成的第3层。由此，形成了由三层构成的下部层。然后，在表2所示的组成、温度以及压力的条件下，以表2所示的时间对第3层的表面实施氧化处理。接着，在表3所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在已实施氧化处理的第3层的表面形成α型氧化铝(α型Al2O3)的核。进而，在表4所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在第3层以及α型氧化铝(α型Al2O3)的核的表面以表6所示的平均厚度形成表6所示组成的中间层(α型Al2O3层)。接着，在表5所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在α型Al2O3层的表面以表6所示的平均厚度形成表6所示组成的上部层。进而，对于发明品1～5以及14～17、和比较品1～2以及9，在表2所示的原料组成、温度以及压力的条件下，在上部层的表面以表6所示的平均厚度，形成表6所示组成的外层。如此，得到发明品1～17以及比较品1～9的被覆切削工具。
以下述方式求出试样的各层的厚度。即，使用FE-SEM，对被覆切削工具的刀头棱线部朝向前刀面的中心部50μm的位置附近的截面的三处的厚度进行测定，求出其算术平均值作为平均厚度。对于得到的试样的各层的组成，在从被覆切削工具的刀头棱线部朝向前刀面的中心部50μm为止的位置附近的截面中，使用EDS进行测定。
[表1]
Figure BDA0002369100460000141
[表2]
Figure BDA0002369100460000151
[表3]
Figure BDA0002369100460000161
[表4]
Figure BDA0002369100460000171
[表5]
Figure BDA0002369100460000181
[表6]
Figure BDA0002369100460000191
※表中的“-”表示没有形成层。
使用FE-SEM，对得到的试样的中间层中的、位于从中间层的上部层侧的界面朝向基材侧0.5μm并与基材的下部层侧的界面平行的第1截面进行观察，并使用FE-SEM所附带的EBSD，测定取向差A处于0度以上45度以下的范围内的各层的粒子截面的面积的总和(RSATotal)。然后，以每5度的间距对取向差A处于0度以上45度以下的范围内的粒子的截面积进行划分，求出每个分区的粒子截面的面积。接着，求出取向差A为0度以上且不足10度的分区、10度以上且不足20度的分区、20度以上且不足30度的分区以及30度以上45度以下的分区的各个分区的粒子截面的面积的总和。应予说明，0度以上45度以下的粒子截面的面积的总和为100面积％。在这些各分区内，将取向差A处于0度以上且不足10度的范围内的粒子的截面积的总和表示为相对于RSATotal的比例，并将此作为RSA。将以上的测定结果示于下述表7。应予说明，以如下方式进行基于EBSD的测定。将试样置于FE-SEM。以70度的入射角度、15kV的加速电压以及1.0nA照射电流对试样照射电子束。在测定范围30μm×50μm中，以0.1μm步长的EBSD设定进行各粒子的取向差以及截面积的测定。将测定范围中的中间层的粒子截面的面积设定为与该面积对应的像素(pixel)的总和。即，关于各层的粒子的、基于取向差A的每10度或15度间距的各分区中的粒子截面的面积总和，通过合计对应于各分区的粒子截面所占的像素，并换算为面积而求得。
使用FE-SEM，对得到的试样的上部层中的、位于从上部层的中间层侧的界面朝向其相反侧的界面0.5μm并与基材的下部层侧的界面平行的第2截面进行观察，并使用FE-SEM所附带的EBSD测定取向差B处于0度以上45度以下的范围内的各层的粒子截面的面积的总和(RSBTotal)。然后，以每5度的间距对取向差B处于0度以上45度以下的范围内的粒子的截面积进行划分，求出每个分区的粒子截面的面积。接着，求出取向差B为0度以上且不足10度的分区、10度以上且不足20度的分区、20度以上且不足30度的分区以及30度以上45度以下的分区的各个分区的粒子截面的面积的总和。应予说明，0度以上45度以下的粒子截面的面积的总和为100面积％。在这些各分区内，将取向差B处于0度以上且不足10度的范围内的粒子的截面积的总和表示为相对于RSBTotal的比例，并将此作为RSB。将以上的测定结果示于下述表7。应予说明，以如下方式进行基于EBSD的测定。将试样置于FE-SEM。以70度的入射角度、15kV的加速电压以及1.0nA照射电流对试样照射电子束。在测定范围30μm×50μm中，以0.1μm步长的EBSD设定进行各粒子的取向差以及截面积的测定。将测定范围中的上部层的粒子截面的面积设定为与其面积对应的像素的总和。即，关于各层的粒子的、基于取向差B的每10度或15度间距的各分区中的粒子截面的面积的总和，通过合计对应于各分区的粒子截面所占的像素，并换算为面积而求得。
[表7]
Figure BDA0002369100460000211
使用得到的发明品1～17以及比较品1～9，按下述的条件进行切削试验1以及切削试验2。切削试验1为评价耐磨性的磨损试验，切削试验2为评价耐缺损性的缺损试验。将各切削试验的结果示于表8。
[切削试验1]
被切削材料：S45C的圆棒，
切削速度：210m/分钟，
进给量：0.25mm/rev，
切削深度：1.8mm，
冷却剂：有，
评价项目：将试样发生缺损或最大后刀面磨损宽度达到0.3mm的时间作为工具寿命，测定到达工具寿命为止的加工时间。此外，通过SEM对加工时间为15分钟的损伤状态进行确认。
[切削试验2]
被切削材料：开有2条槽的S45C圆棒，
切削速度：140m/分钟，
进给量：0.25mm/rev，
切削深度：1.5mm，
冷却剂：有，
评价项目：将试样发生缺损或最大后刀面磨损宽度达到0.3mm的时间作为工具寿命，测定直至工作寿命为止的冲击次数。此外，通过SEM对冲击次数为5000次的损伤状态进行确认。冲击次数设定为到15000次为止。
对于切削试验1(磨损试验)的到达工具寿命为止的加工时间，将40分钟以上的设为“A”，30分钟以上且不足40分钟的设为“B”，不足30分钟的设为“C”，来进行评价。此外，对于切削试验2(缺损试验)的到达工具寿命为止的冲击次数，将13000次以上的设为“A”，11000次以上12999次以下的设为“B”，10999次以下的设为“C”，来进行评价。在该评价中，“A”意味着最优，其次“B”为优，“C”为最差，具有越多的A或B意味着切削性能越优异。将得到的评价的结果示于表8。
[表8]
Figure BDA0002369100460000231
根据表8所示的结果，发明品的磨损试验以及缺损试验的评价均为“A”或“B”的评价。另一方面，关于比较品的评价，磨损试验以及缺损试验的两方或任一方为“C”。尤其是，在磨损试验中，发明品的评价均为“B”以上，比较品的评价均为“C”。由此可知，发明品的耐磨性与比较品相比，总的来说更加优异。
根据以上的结果可知，发明品的耐磨性以及耐缺损性优异，因此，工具寿命较长。
[产业上的可利用性]
本发明的被覆切削工具由于不会降低耐缺损性、且具有优异的耐磨性，与以往相比能够延长工具寿命，由此观点出发，其具有产业上的可利用性。
符号说明
1…基材、2…下部层、3…中间层，4…上部层，5…被覆层，6…被覆切削工具。

Claims (9)

1.一种被覆切削工具，其具备基材、和形成于该基材的表面的被覆层，其中，
所述被覆层从所述基材侧依次包含下部层、中间层、和上部层，
所述下部层包含一层或两层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti、与选自由C、N、O以及B组成的群组中的至少一种元素的Ti化合物构成，所述中间层包含由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，所述上部层包含由TiCNO构成的TiCNO层，
所述被覆层的平均厚度为5.0μm以上30.0μm以下，
在第1截面中，取向差A满足以下述式(i)表示的条件，所述第1截面在从所述中间层的所述上部层侧的界面朝向基材侧至1μm为止的范围内，且与所述基材的所述下部层侧的界面平行，
在第2截面中，取向差B满足以下述式(ii)表示的条件，所述第2截面在从所述上部层的所述中间层侧的界面朝向其相反侧的界面至1μm为止的范围内，且与所述基材的所述下部层侧的界面平行，
RSA≧40 (i)
式(i)中，RSA为：在所述第1截面中，取向差A为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差A为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例，其单位为面积％，取向差A为所述第1截面的法线与所述中间层中的α型Al2O3层的粒子的(001)面的法线所成的角度，其单位为度，
RSB≧40 (ii)
式(ii)中，RSB为：在所述第2截面中，取向差B为0度以上且不足10度的粒子的截面积相对于取向差B为0度以上45度以下的粒子的截面积的比例，其单位为面积％，取向差B为所述第2截面的法线与所述上部层中的TiCNO层的粒子的(111)面的法线所成的角度，其单位为度。
2.如权利要求1所述的被覆切削工具，其中，
所述RSA为50面积％以上。
3.如权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，
所述RSB为50面积％以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的被覆切削工具，其中，
所述上部层由TiCNO层形成，所述TiCNO层含有具有以下述式(1)表示的组成的化合物，
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
式中，x表示N元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，y表示O元素相对于C元素、N元素与O元素的总量的原子比，并满足0.15≦x≦0.65、0.01≦y≦0.20。
5.如权利要求1～4中任一项所述的被覆切削工具，其中，
所述上部层的平均厚度为1.0μm以上6.0μm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的被覆切削工具，其中，
所述中间层的平均厚度为3.0μm以上15.0μm以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的被覆切削工具，其中，
所述下部层的平均厚度为3.0μm以上15.0μm以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的被覆切削工具，其中，
构成所述Ti化合物层的Ti化合物为选自由TiN、TiC、TiCN、TiCNO、TiON以及TiB2组成的群组中的至少一种。
9.如权利要求1～8中任一项所述的被覆切削工具，其中，
所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或立方氮化硼烧结体中的任一种。
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