CN111526956A - 表面被覆切削工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

该表面被覆切削工具包括基材和被覆基材的覆层，覆层包括由彼此交替层叠的第一单元层和第二单元层获得的交替层。第一单元层中包含含有铝和锆的氮化物，并且在第一单元层中，如果将构成第一单元层的金属原子的总数定义为1时，那么锆原子数的比率为0.65至0.95，包括端值。第二单元层中包含含有钛和硅的氮化物，并且如果将构成第二单元层的金属原子的总数定义为1时，那么硅原子数的比率大于0并且为0.20以下。

Description

表面被覆切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及表面被覆切削工具及其制造方法。本申请要求基于在2018年3月7日提交的日本专利申请No.2018-040875的优先权。该日本专利申请中描述的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

近年来，从保护全球环境的观点出发，愈加需要不使用切削油液的干式加工，切削速度进一步提高以提高加工效率，并且待切削材料多样化，并且在航空器和医疗领域，称作难切削材料的耐热合金的切削日益增加。由于这些和其他原因，在切削加工中，表面被覆切削工具的切削刃趋向于被加热至高温。切削刃被加热至高温的表面被覆切削工具的寿命将会缩短。因此，需要即使在如此严苛的切削条件下也能够展现出优异的工具寿命的表面被覆切削工具。

日本专利特开No.2003-34859(专利文献1)公开了组成为(Al_b,[Cr_1-eV_e]_c)(C_1-dN_d)(其中0.5≤b≤0.8，0.2≤c≤0.5，b+c＝1，0.05≤e≤0.95，0.5≤d≤1)或组成为(M_a,Al_b,[Cr_1-eV_e]_c)(C_1-dN_d)(其中M为选自由Ti、Nb、W、Ta和Mo组成的组中的至少一者，并且0.02≤a≤0.3，0.5≤b≤0.8，0.05≤c，a+b+c＝1，0.5≤d≤1，0≤e≤1)的覆层，其目的是提高切削工具在高速高效切削中的耐磨性。

WO 2006/070730(专利文献2)公开了包括由交替层叠的A层和B层形成的交替层的覆层，其中A层由Al和Cr的氮化物构成，B层由Ti和Al的氮化物构成，其目的是实现高效的干式加工。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.2003-34859

专利文献2：WO 2006/070730

发明内容

在本公开的一个方面中的表面被覆切削工具为

[1]一种表面被覆切削工具，包括基材和被覆基材的覆层，

覆层包括由交替层叠的第一单元层和第二单元层构成的交替层，

第一单元层由包含铝和锆的氮化物构成，

在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，锆的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下，

第二单元层由包含钛和硅的氮化物构成，

在第二单元层中，当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，硅的原子数与金属原子的总数的比率大于0且为0.20以下。

在本公开的另一方面中的表面被覆切削工具的制造方法为

[2]一种制造上述条款(1)所述的表面被覆切削工具的方法，包括：

准备基材；以及

通过物理气相沉积在基材上交替层叠第一单元层和第二单元层，以在基材上形成交替层，从而获得表面被覆切削工具。

附图说明

图1为根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的示意性放大截面图。

图2为根据本公开的另一实施方案的表面被覆切削工具的示意性放大截面图。

图3为示出了第一单元层和第二单元层的厚度比的实例的图。

图4为在一个实施方案中使用的阴极电弧离子镀装置的示意性截面图。

图5为图4所示的阴极电弧离子镀装置的示意性俯视图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

用于航空发动机等的以

等为代表的耐热合金通常包含Cr。上述专利文献1和2的覆层包含Cr。因此，当将这些切削工具用于切削耐热合金时，存在覆层中的Cr和工件中的Cr相互扩散并加速对覆层的损害的技术问题。

目的是提供一种表面被覆切削工具及其制造方法，即使当用于加工(特别是)难切削材料时，该表面被覆切削工具也能够实现较长的寿命。

[本公开的有利效果]

根据上述方面，可以提供一种表面被覆切削工具及其制造方法，即使当用于加工(特别是)难切削材料时，该表面被覆切削工具也能够实现较长的寿命。

[本公开的实施方案的描述]

首先，将列举并且具体描述本公开的实施方案。

(1)在本公开的一个方面中的表面被覆切削工具为

一种表面被覆切削工具，其包括基材和被覆基材的覆层，

覆层包括由交替层叠的第一单元层和第二单元层构成的交替层，

第一单元层由包含铝和锆的氮化物构成，

在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，锆的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下，

第二单元层由包含钛和硅的氮化物构成，

在第二单元层中，当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，硅的原子数与金属原子的总数的比率大于0且为0.20以下。

这种表面被覆切削工具在加工难切削材料时能够实现较长的寿命。

(2)当在交替层中彼此相邻的第一单元层和第二单元层分别具有厚度λ1和厚度λ2时，比率λ2/λ1优选为1以上5以下。这使表面被覆切削工具整体上具有提高的散热性，因此特别是增强了表面被覆切削工具用于连续切削时的耐磨性。

(3)第一单元层包含硅，并且在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，硅的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.20以下。这使覆层具有高硬度。

(4)第一单元层包含硼，并且在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，硼的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下。这使覆层具有高硬度。

(5)第二单元层包含硼，并且在第二单元层中，当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，硼的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下。这使覆层具有高硬度。

(6)第一单元层包含钒，并且在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，钒的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.30以下。这可以抑制工件与表面被覆切削工具的熔合。

(7)第二单元层包含钒，并且在第二单元层中，当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，钒的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.30以下。这可以抑制工件与表面被覆切削工具的熔合。

(8)优选地，第一单元层和第二单元层各自的厚度为0.002μm以上0.2μm以下。这可以抑制裂纹的延伸。

(9)优选地，覆层包括设置在基材和交替层之间的下底层，并且

下底层具有与第一单元层或第二单元层相同的组成。

当下底层具有与第一单元层相同的组成，并且基材在切削加工的初期阶段露出时，可以抑制自基材和覆层之间的界面的氧化。当下底层具有与第二单元层相同的组成时，当切削工具用于诸如铣削和端铣之类的断续加工时，覆层可具有提高的耐剥离性。

(10)优选地，覆层包括设置在交替层的前表面一侧的前表面层，并且

前表面层由包含钛的碳氮化物构成。这使表面被覆切削工具实现更长的寿命。

(11)根据本公开的另一方面，制造表面被覆切削工具的方法为制造根据上述条款(1)至(10)中任一项所述的表面被覆切削工具的方法，包括：

准备基材；以及

通过物理气相沉积在基材上交替层叠第一单元层和第二单元层，以在基材上形成交替层，从而获得表面被覆切削工具。

通过物理气相沉积形成的覆层可具有高结晶性和优异的耐磨性。因此获得的表面被覆切削工具可以实现较长寿命。

[本公开的实施方案的细节]

下面将参考附图描述根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的具体实例。

在本说明书中，当通过未限定任何具体原子比的化学式表示化合物时，该化学式包括任何常规已知的原子比，并且不需要将原子比限制在落于化学计量范围内。例如，对于“ZrAlN”，“Zr(锆)”、“Al(铝)”和“N(氮)”的原子比不限于25:25:50，而是包括任何常规已知的原子比，并且对于“AlTiN”，“Al”、“Ti”和“N”的原子比不限于25:25:50，而是包括任何常规已知的原子比。

<表面被覆切削工具>

现在将参考图1至3描述根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具。图1为根据本公开的实施方案的表面被覆切削工具的示意性放大截面图。图2为根据本公开的另一实施方案的表面被覆切削工具的示意性放大截面图。图3为示出了第一单元层和第二单元层的厚度比的实例的图。

如图1和2所示，根据本公开的实施方案，表面被覆切削工具1包括基材2和被覆基材2的覆层3。优选地，覆层3被覆基材2的整个表面。然而，即使覆层3未被覆基材2的一部分，或者覆层3在构造上存在部分不同，这也不脱离本实施方案的范围。

根据本实施方案的表面被覆切削工具可适合用作诸如钻头、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、丝锥等之类的切削工具。

<基材>

用于本实施方案的表面被覆切削工具1的基材2可为作为这种类型的基材常规已知的任何基材。例如，优选为(如)硬质合金(例如，WC基硬质合金或除了包含WC之外还包含Co的材料、或者除了WC之外还添加有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的材料)，金属陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等构成)，高速钢，陶瓷材料(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)，立方晶氮化硼烧结体或金刚石烧结体中的任一者。

在这些不同类型的基材中，特别优选的是选择WC基硬质合金或金属陶瓷(特别是TiCN基金属陶瓷)。这些基材在高温下的硬度和强度之间具有特别优异的平衡，并且当将它们用作表面被覆切削工具的基材时，可以有助于提供具有较长寿命的表面被覆切削工具。

<覆层>

本实施方案的表面被覆切削工具1中所包括的覆层3包括由交替层叠的第一单元层12和第二单元层15构成的交替层13。除交替层13以外，覆层3还可以包括其他层。其他层可(例如)为下底层16(ZrAlN、ZrAlSiN、ZrAlBN、ZrAlVN、AlTiSiN等)、前表面层14(AlTiCN、AlTiSiCN、AlTiBCN、AlTiVCN等)等。

覆层3被覆基材2，以提供改善表面被覆切削工具的诸如耐磨性和耐缺损性之类的各种性能并延长其寿命的效果。

覆层的总厚度优选为0.8μm以上15μm以下。如果覆层的总厚度小于0.8μm，那么覆层的厚度过小，并且表面被覆切削工具趋于具有较短寿命。如果覆层的总厚度大于15μm，那么在切削初期阶段覆层趋于缺损，并且表面被覆切削工具趋于具有较短寿命。可以通过用扫描电子显微镜(SEM)观察覆层的截面来确定覆层的总厚度。具体而言，在100μm²至500μm²的区域中，以5,000倍至10,000倍的放大倍率观察试样的截面，并且在一个视野中，对三个位置的厚度宽度进行测量，并且将它们的平均值确定为“厚度”。除非另有说明，否则上述情况同样适用于下文描述的各层的厚度。

优选地，覆层的压缩残余应力的绝对值为6GPa以下。覆层的压缩残余应力为存在于整个覆层中的一种内部应力(固有应变)，并且是指由负数值(在本实施方案中以“GPa”为单位)表示的应力。因此，压缩残余应力较大的概念表示数值的绝对值增加，并且压缩残余应力较小的概念表示数值的绝对值减小。即，压缩残余应力的绝对值为6GPa以下意味着覆层的优选压缩残余应力为-6GPa以上0GPa以下。

如果覆层的压缩残余应力超过0GPa，那么其将成为拉伸应力，并且覆层趋于无法抑制在覆层的最外表面处产生的裂纹的延伸。如果压缩残余应力的绝对值超过6GPa，那么应力过大，并且在切削开始前，覆层尤其可能从表面被覆切削工具的刃剥离，并且表面被覆切削工具的寿命可能缩短。

可以使用X射线残余应力测定装置通过

法(参见“X-Ray StressMeasurement,”日本材料科学学会，1981年，由Yokendo Co.,Ltd.出版，54-66页)测定压缩残余应力。

覆层优选具有立方晶体结构。当覆层具有立方晶体结构时，覆层的硬度增强。因此，覆层中的各层优选具有立方晶体结构。可以使用本领域已知的X射线衍射仪分析覆层和覆层中各层的晶体结构。

覆层的硬度优选为29GPa以上60GPa以下，更优选为40GPa以上60GPa以下。这使覆层具有足够的硬度。可通过纳米压痕法(由MTS制造的Nano Indenter XP)测定覆层整体的硬度。具体而言，在覆层表面的三个位置处测定硬度，并且将其平均值定义为“硬度”。

<交替层>

在本实施方案中，覆层3包括由交替层叠的第一单元层12和第二单元层15构成的交替层13。第一单元层由包含Al(铝)和Zr(锆)的氮化物构成，并且当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，Zr的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下。第二单元层由包含Ti(钛)和Si(硅)的氮化物构成，并且当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率大于0并且为0.20以下。

在本说明书中，“金属原子”是指除氢、氦、氖、氩、氪、氙、氡、氟、氯、溴、碘、砹、氧、硫、硒、碲、氮、磷、砷、锑和碳以外的元素的原子。

在本说明书中，可以用X射线光电子能谱仪(XPS)测定包括第一单元层、第二单元层、下底层、中间层和前表面层在内的各层的组成，以及各层中的各元素(Zr、Si、B(硼)、V)的原子数相对于金属原子的总数的比率。具体而言，使试样的表面暴露于x射线，并且由该表面发射光电子，测定光电子的动能以分析构成试样表面的元素的组成以及该元素的化学结合状态。在XPS中，通过在旋转试样(Zalar旋转)的同时对试样进行Ar离子蚀刻，也可以确定位于基材侧的各层的组成和各原子(Zr、Si、B和V)的原子数与金属原子的总数的比率。

通过交替层13具有这种结构，根据本实施方案的表面被覆切削工具展现出优异的效果，即，可以在加工难切削材料时实现较长的寿命。推测这是由于以下原因(i)至(vi)而实现的：

(i)第一单元层由包含Al和Zr的氮化物构成。Al可氧化，因此容易在覆层的前表面侧形成由Al₂O₃构成的致密氧化物层。此外，Zr的氧化物标准生成自由能小于Al的氧化物标准生成自由能，因此Zr比Al更易氧化，使得易于在覆层的最外表面上形成由ZrO₂构成的致密氧化物层。这些氧化物层增强了覆层的抗氧化性，并且包括覆层的表面被覆切削工具可以在加工难切削材料时实现较长寿命。

(ii)当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，Zr的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下。在这种情况下，如在由Makino的论文(Makino，“Structural Control and Properties of Pseudobinary Nitride Hard Coatings”，Journal of the High Temperature Society,High Temperature Society，2007年3月，第33卷，No.2，50-59页)中预期的，第一单元层将具有立方晶体结构，并且硬度增加且耐磨性增强。因此，包括第一单元层的表面被覆切削工具可实现较长寿命。

(iii)第二单元层由包含Ti和Si的氮化物构成。由包含Ti和Si的氮化物构成的层具有纳米复合体形式的晶体结构，并且硬度增加。因此，包括第二单元层的表面被覆切削工具的耐磨性增强并且可实现较长寿命。

(iv)当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率大于0并且为0.20以下。在这种情况下，可以抑制由包含Ti和Si的氮化物构成的层易于剥离的特性，并且该层还具有纳米复合体形式的晶体结构，使得该层硬度增加且耐磨性增强。因此，包括第二单元层的表面被覆切削工具可实现较长寿命。

(v)当将由包含Al和Zr的氮化物构成的层与由包含Ti和Si的氮化物构成的层相比时，由包含Al和Zr的氮化物构成的层趋于具有较大压缩残余应力和较低硬度的特性，并且由包含Ti和Si的氮化物构成的层趋于具有较小压缩残余应力和较高硬度的特性。交替层包括由包含Al和Zr的氮化物构成的第一单元层和由包含Ti和Si的氮化物构成的第二单元层，第一单元层和第二单元层交替层叠，并且第一单元层的特性(即，低硬度)通过第二单元层的特性(即，高硬度)得以补充，并且第二单元层的特性(即，压缩残余应力小)通过第一单元层的特性(即，压缩残余应力大)得以补充。因此据信，交替层整体的硬度和压缩残余应力得到均衡地改善，并且表面被覆切削工具具有更长的寿命。

(vi)交替层具有交替层叠的第一单元层和第二单元层，并且组成和晶格在各单元层的界面处是不连续的。在切削加工中，当在覆层的前表面层处产生裂纹时，界面可以抑制裂纹的延伸。因此据信，表面被覆切削工具具有更长的寿命。

第一单元层由包含Al和Zr的氮化物构成。通常，当通过物理气相沉积法形成包含Zr的层时，Zr的较高熔点使得难以维持放电，因此难以稳定地进行层的沉积。在本实施方案的表面被覆切削工具中，第一单元层包含Zr，并且同时还包含具有低熔点的Al，因此，第一单元层整体具有更低的熔点。这样，当通过物理气相沉积形成第一单元层时，易于维持放电，并且可以稳定地进行层的沉积。

此外，Zr价格昂贵，并且将其掺入表面被覆切削工具的覆层中在成本方面是不利的。本实施方案的表面被覆切削工具包括由包含Zr的第一单元层和不包含Zr的第二单元层构成的覆层，其中第一单元层和第二单元层交替层叠，因此与切削工具具有由包含Zr的单层形成的覆层时相比，所述表面被覆切削工具可具有Zr含量更低的覆层。因此，这在成本方面也是有利的。此外，在诸如

之类的难切削材料中不包含Zr，并且在加工期间，第一单元层中的Zr不会与工件中的成分进行相互扩散从而加速对覆层的损害。

当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，Zr的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下。在这种情况下，第一单元层将具有立方晶体结构，并且硬度增加且耐磨性增强。如果Zr的原子数的比率小于0.65，那么晶体结构的一部分成为六方晶系，使得第一单元层的硬度降低，因此耐磨损性降低。如果Zr的原子数的比率大于0.95，那么无法获得通过添加Al而得到的效果，即，无法获得增强的硬度，并且第一单元层的硬度将降低。从进一步提高第一单元层的硬度的观点出发，Zr的原子数的比率优选为0.7以上0.85以下，并且更优选为0.7以上0.8以下。

第二单元层由包含Ti和Si的氮化物构成。由包含Ti和Si的氮化物构成的层具有纳米复合体形式的晶体结构，并且硬度增加。因此，第二单元层可有助于提供具有较长寿命的表面被覆切削工具。此外，在诸如

之类的难切削材料中不包含Si，并且在加工过程中，第二单元层中的Si不会与工件中的成分进行相互扩散从而加速对覆层的损害。

当构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，Si原子数与金属原子的总数的比率大于0并且为0.20以下。通常，由包含Ti和Si的氮化物构成的层具有易剥离的特性。在本实施方案中，通过使Si的原子数的比率落入上述范围内可以抑制剥离，并且也可以使晶体结构成为纳米复合体。因此，可以提高第二单元层的硬度并提高耐磨性。因此，第二层可以有助于提供具有延长的寿命的表面被覆切削工具。

如果Si的原子数的比率超过0.2，那么耐断裂性可能降低。从进一步提高第二单元层的硬度的观点出发，Si的原子数的比率优选为0.05以上0.15以下，并且更优选为0.05以上0.1以下。

第一单元层可以包含Si(硅)。当第一单元层包含Si，并且将第一单元层中构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.20以下。

在这种情况下，虽然作用机理未知，但是进一步提高了含Si层的硬度，并且提高了覆层整体的硬度，还增强了抗氧化性。

如果Si的原子数的比率超过0.20，那么含Si层趋于变脆，这加速了磨损。此外，当通过热等静压处理形成用作含Si层的金属原料的合金制成的靶时，合金制成的靶将在焙烧期间破裂，从而导致较低的产率，并且趋于难以获得足以形成第一单元层的材料强度。

从提高第一单元层的硬度和增强上述合金靶的强度的观点出发，在第一单元层中，当构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，Si原子数与金属原子的总数的比率优选为0.01以上0.10以下。

第一单元层和第二单元层中的至少一者可包含B(硼)。当第一单元层包含B，并且第一单元层中构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，B的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下。同样地，当第二单元层包含B，并且第二单元层中构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，B的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下。

在这种情况下，虽然作用机理未知，但是含B的层的硬度进一步增加，并且覆层整体的硬度增加。此外，在切削期间通过表面的氧化形成的B的氧化物使层中Al的氧化物致密化，因此增强了抗氧化性。此外，由于B的氧化物具有低熔点，其可以在切削工件时用作润滑剂，因此抑制了工件的附着。

从进一步提高第一单元层或第二单元层的硬度和抗氧化性的观点出发，在第一单元层和/或第二单元层中，当构成第一单元层或第二单元层的金属原子的总数表示为1时，B的原子数与金属原子的总数的比率优选为0.05以上0.10以下。

第一单元层和第二单元层中的至少一者可包含V(钒)。当第一单元层包含钒，并且第一单元层中构成第一单元层的金属原子的总数表示为1时，钒的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.30以下。同样地，当第二单元层中包含钒，并且第二单元层中构成第二单元层的金属原子的总数表示为1时，钒的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.30以下。

在这种情况下，即使在切削工件的过程中，第一单元层和/或第二单元层的表面在高温环境下氧化，具有较低熔点的V的氧化物也会在该过程中充当润滑剂，因此可以抑制工件的附着。

如果V的原子数的比率超过0.30，那么含V层的硬度趋于降低。从抑制工件的附着和提高含V层的硬度的观点出发，在第一单元层和/或第二单元层中，当构成第一单元层或第二单元层的金属原子的总数表示为1时，V的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0且小于0.15。

第一单元层和第二单元层还可包含除Al、Zr和N以外的不可避免的杂质。不可避免的杂质包括(例如)氧、碳等。第一单元层和第二单元层优选各自包含总计大于0原子％且小于1原子％的不可避免的杂质。在本说明书中，“原子％”是指相对于构成层的原子总数的原子数量的百分比(％)。可以使用上述XPS分析来测定相对于构成层的原子总数的原子数量的百分比(％)。

优选地，第一单元层和第二单元层各自的厚度为0.002μm以上0.2μm以下。这能够抑制在覆层的表面产生的裂纹的延伸。如果第一单元层和第二单元层各自的厚度小于0.002μm，那么这些层将彼此混合，这趋于阻止实现通过交替层叠第一单元层和第二单元层而获得的效果。如果第一单元层和第二单元层各自的厚度超过0.2μm，不太可能获得抑制裂纹的延伸的效果。更优选地，第一单元层和第二单元层各自的厚度为0.005μm以上0.15μm以下。

如图3所示，当交替层中的第一单元层和第二单元层分别具有厚度λ1和λ2时，那么在交替层中彼此相邻的第一单元层和第二单元层的比率λ2/λ1优选为1以上5以下。

第二单元层除了具有高抗氧化性之外，还具有高热导率，并且具有易于将切削期间产生的热传递至基材的性质。因此，当覆层中的第二单元层的比例相对增加时，表面被覆切削工具整体的散热得以改善，因此(特别是)增强了连续切削期间的耐磨性。如果λ2/λ1小于1，那么覆层的韧性趋于降低。如果λ2/λ1超过5，那么不太可能趋于获得通过层叠第一单元层和第二单元层来抑制裂纹延伸的效果。从平衡这些特性的观点出发，λ2/λ1更优选为1以上且小于3。

交替层可以包括一个第一单元层和一个第二单元层。在这种情况下，在最接近基材的一侧，可以首先沉积第一单元层，随后沉积第二单元层。或者，在最接近基材的一侧，可以首先沉积第二单元层，随后沉积第一单元层。

交替层可以包括一个或多个第一单元层和一个或多个第二单元层。当交替层包括两个第一单元层和一个第二单元层时，那么在最接近基材的一侧，可以首先沉积一个第一单元层，随后沉积第二单元层，然后沉积另一个第一单元层。当交替层包括一个第一单元层和两个第二单元层时，那么在最接近基材的一侧，可以首先沉积一个第二单元层，随后沉积第一单元层，然后沉积另一个第二单元层。

交替层可以包括两个或更多个第一单元层和两个或更多个第二单元层。在这种情况下，在最接近基材的一侧，可以首先沉积第一单元层，或者可以首先沉积第二单元层。

在交替层中，优选层叠10个至500个第一单元层和10个至500个第二单元层，更优选层叠100个至400个第一单元层和100个至400个第二单元层。因此，通过层叠第一单元层和第二单元层，使得足以有效地均衡地改善硬度和压缩残余应力。

交替层的总厚度优选为0.8μm以上15μm以下，更优选为2μm以上7μm以下。当厚度小于0.8μm时，在连续加工中趋向于不能展现出足够耐磨性，并且当厚度超过15μm时，在断续切削中耐缺损性趋于不稳定。

在交替层中第一单元层和第二单元层交替层叠以形成多层结构这一事实可以通过如下方式进行确认：用TEM(透射电子显微镜)观察覆层的截面，并且当观察到对比度的差异时，可以确认其表示多层结构。

可以通过用TEM(透射电子显微镜)观察覆层的截面，从而确定第一单元层的厚度、第二单元层的厚度、第一单元层和第二单元层的层叠数以及交替层的厚度。具体而言，这些可以通过如下方式进行确定：将薄片试样暴露在电子束中，并且以高放大倍率对透射通过试样或由试样散射的电子进行成像和观察。

<其他层>

根据本实施方案，除了交替层13之外，表面被覆切削工具1中所包括的覆层3还可以包括其他层。其他层可以(例如)包括下底层16、前表面层14等。

覆层3可以包括在基材2和覆层3之间的下底层16，以增加基材2和覆层3之间的密着性。下底层16优选具有与第一单元层12或第二单元层15相同的组成。

下底层具有与第一单元层相同的组成意味着下底层具有与包括在交替层中的第一单元层相同的组成。在这种情况下，下底层由包含Al和Zr的氮化物构成，并且当构成下底层的金属原子的总数表示为1时，Zr的原子数与金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下。

当下底层具有与第一单元层相同的组成，并且在切削的初始阶段露出基材时，可以抑制自基材和覆层之间的界面开始的氧化。

具有与第一单元层相同的组成的下底层可以包含Si、B或V，并且它们的含量可以等于第一单元层的含量。特别地，当下底层包含Si，并且构成下底层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下。这使下底层的硬度提高，并且还可以具有微细的晶体结构，因此耐磨性提高。

当下底层具有与第一单元层相同的组成时，下底层的厚度优选为0.1μm以上。如果下底层的厚度小于0.1μm，那么存在无法获得如下效果的趋势，该效果为：通过使下底层具有与第一单元层相同的组成从而抑制由基材和覆层之间的界面开始发生的氧化的效果。虽然没有为下底层的厚度设定特定的上限值，但是厚度超过2μm的下底层趋于无法进一步增强上述氧化抑制效果。因此，当考虑成本时，下底层的厚度优选为2μm以下。

当下底层具有与第一单元层相同的组成，并且在下底层上形成交替层时，那么交替层的第一单元层可以直接层叠在具有与第一单元层相同的组成的下底层上(参见图1)，或者交替层的第二单元层可以直接层叠在下底层上。予以注意，当下底层具有与第一单元层相同的组成，并且交替层的第一单元层直接层叠在下底层上时，下底层和交替层的第一单元层具有连续的晶体结构，因此，下底层和交替层的第一单元层基本上作为由包含含有Al和Zr的氮化物的单层构成的层存在。

因此，当紧邻基材的由包含Al和Zr的氮化物的单层构成的层的厚度大于交替层中的另一第一单元层时，可以理解，具有与第一单元层相同的组成的下底层和交替层中最接近基材的第一单元层是连续存在的。在这种情况下，上述第一单元层的厚度λ1为除了与下底层直接相邻的第一单元层以外的其他第一单元层的厚度。

当下底层具有与第一单元层相同的组成，并且交替层具有直接层叠在下底层上的第一单元层时，下底层和交替层的第一单元层具有连续的晶体结构。在这种情况下，在外观上，可确认具有与第一单元层相同组成的单层直接位于基材上。在本说明书中，当具有与第一单元层相同组成的单层直接存在于基材上，并且该层的厚度为100nm以上时，确定该层由下底层和第一单元层构成。

下底层具有与第二单元层相同的组成意味着下底层具有与交替层中所包括的第二单元层相同的组成。在这种情况下，下底层由包含Ti和Si的氮化物构成，并且当构成下底层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率大于0并且为0.20以下。

当下底层具有与第二单元层相同的组成时，第二单元层趋于具有较小的应力，并且覆层在诸如铣削和端铣之类的断续加工中的耐剥离性显著提高，其中在断续加工中，切削刃反复地受到负荷。从提高耐剥离性的观点出发，将构成下底层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率优选为0.01以上0.1以下。

具有与第二单元层相同的组成的下底层可以包含B或V，并且它们的含量可以等于第二单元层中的含量。

当下底层具有与第二单元层相同的组成时，下底层的厚度优选为0.1μm以上。如果下底层的厚度小于0.1μm，那么存在无法获得这样的效果的趋势，该效果为通过使下底层具有与第二单元层相同的组成从而增强耐剥离性的效果。虽然没有为下底层的厚度设定特定的上限值，但是厚度超过2μm的下底层趋于无法确认进一步增强上述耐剥离性。因此，当考虑成本时，下底层的厚度优选为2μm以下。

当下底层具有与第二单元层相同的组成，并且在下底层上形成交替层时，那么交替层的第一单元层可以直接层叠在具有与第二单元层相同的组成的下底层上(参见图2)，或者交替层的第二单元层可以直接层叠在下底层上。予以注意，当下底层具有与第二单元层相同的组成，并且交替层的第二单元层直接层叠在下底层上时，下底层和交替层的第二单元层具有连续的晶体结构，因此，下底层和交替层的第二单元层将基本上作为由包含含有Ti和Si的氮化物的单层构成的层存在。

因此，当紧邻基材的由包含Ti和Si的氮化物的单层构成的层的厚度大于交替层中的另一第二单元层时，可以理解，具有与第二单元层相同组成的下底层和交替层中最接近基材的第二单元层是连续存在的。在这种情况下，上述第二单元层的厚度λ2为除了与下底层直接相邻的第二单元层以外的其他第二单元层的厚度。

当下底层具有与第二单元层相同的组成，并且交替层的第二单元层直接层叠在下底层上时，下底层和交替层的第二单元层具有连续的晶体结构。在这种情况下，在外观上，确认具有与第二单元层相同组成的单层直接位于基材上。在本说明书中，当具有与第二单元层相同组成的单层直接存在于基材上，并且该层的厚度为100nm以上时，确定该层由下底层和第一单元层构成。

覆层3可以包括位于交替层13的前表面侧的前表面层14，以降低覆层3的摩擦系数并延长表面被覆切削工具的寿命。前表面层优选由包含Ti的碳氮化物(包含碳和氮的化合物)构成。

通常，与氮化物相比，碳氮化物与工件的摩擦系数趋于更低。认为这种较小的摩擦系数是由于碳原子的贡献。当覆层包括前表面层时，覆层与工件的摩擦系数减小，并且表面被覆切削工具的寿命得以延长。

前表面层由包含Ti和Si的碳氮化物构成，并且当构成前表面层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.20以下。当构成前表面层的金属原子的总数表示为1时，Si的原子数与金属原子的总数的比率优选为0.01以上0.15以下，更优选为0.05以上0.1以下。这使得前表面层的硬度增加并且还增强了抗氧化性。

通过调整前表面层中的N和C的组成比，可以赋予前表面层规定的颜色。这使得表面被覆切削工具的外观具有设计性和识别性从而在商业上可用。

前表面层可以包含Al。包含Ti和Al的碳氮化物具有优异的抗氧化性。虽然在切削加工中，前表面层的表面被加热到比任何其他层更高的温度，但是具有优异的抗氧化性的前表面层使表面被覆切削工具具有延长的寿命。从提高抗氧化性的观点出发，当构成前表面层的金属原子的总数表示为1时，Al的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0.40并且为0.70以下，更优选为0.50以上0.60以下。

前表面层可以包含B，并且当构成前表面层的金属原子的总数表示为1时，B的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0且小于0.10，更优选大于0并且为0.05以下。这使得前表面层的硬度增加。此外，在切削期间通过表面的氧化形成的B的氧化物趋于使层中的Al的氧化物致密化，这提高了抗氧化性。

前表面层可以包含V，并且当构成前表面层的金属原子的总数表示为1时，V的原子数与金属原子的总数的比率优选大于0并且为0.10以下，更优选为大于0且为0.05以下。这可以增强前表面层的耐粘附性。

前表面层的厚度优选为0.1μm以上。如果前表面层的厚度小于0.1μm，那么可能不容易获得前表面层赋予润滑性的效果。虽然没有为前表面层的厚度设定特定的上限值，但是厚度超过2μm的前表面层趋于无法进一步增强上述润滑性赋予效果。因此，当考虑成本时，前表面层的厚度优选为2μm以下。

<表面被覆切削工具的制造方法>

上述根据本公开的一个实施方案的制造表面被覆切削工具的方法包括：准备基材；以及通过物理气相沉积在基材上交替层叠第一单元层和第二单元层以形成交替层，从而获得表面被覆切削工具。

<基材的准备>

作为基材，准备上述基材。

<交替层的形成>

随后，在基材上，采用物理气相沉积(PVD)以在基材上交替层叠第一单元层和第二单元层，从而在基材上形成交替层，由此获得根据本公开的一个实施方案的表面被覆切削工具。为了提高包括交替层的覆层的耐磨性，优选由具有高结晶度的化合物形成层。通过研究形成交替层的各种方法，本发明人发现优选使用物理气相沉积。予以注意，可以直接在基材上形成下底层，以增强基材和覆层之间的密着性。

作为物理气相沉积，可以使用选自由阴极电弧离子镀、平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射以及HiPIMS组成的组中的至少一者。特别地，优选使用阴极电弧离子镀，因为阴极电弧离子镀使作为源材料的元素以高比率离子化。当使用阴极电弧离子镀时，在形成交替层之前，可对基材的表面进行金属离子轰击，以实现基材和包括交替层的覆层的密着性的显著增强。

例如，可以如下进行阴极电弧离子镀：将基材设置在装置中，并且将靶设置为阴极，随后，向靶施加高电压以引起电弧放电，从而使靶的组成原子电离并蒸发，以在基材上沉积材料。

例如，可以如下进行平衡磁控溅射：将基材设置在装置中，并且将靶设置在具有形成平衡磁场的磁体的磁控电极上，并且在磁控电极和基材之间施加高频功率以产生气体等离子体，这产生了气体，并且使气体的离子撞击靶以由靶释放原子，从而使释放的原子沉积在基材上。

例如，通过使上述平衡磁控溅射中的磁控电极产生的磁场不平衡，从而可以进行不平衡磁控溅射。此外，也可以使用允许施加高电压并获得致密膜的HiPIMS。

予以注意，可以在交替层上形成其他层，例如中间层、氧化铝层和前表面层。可以由常规已知的化学气相沉积或物理气相沉积形成其他层。从可以在单一物理气相沉积装置中将第一单元层和第二单元层与其他层连续形成的观点出发，优选通过物理气相沉积形成其他层。

实施例

<表面被覆切削工具的制作>

[试样1至23]

(1)基材的清洗

图4为本实施例中使用的阴极电弧离子镀装置的示意性截面图，并且图5为图4所示装置的示意性俯视图。

在图4和5所示的装置中，在腔室101中设置了：用于第一单元层的阴极106、用于第二单元层的阴极107和用于前表面层的阴极120，这些为由作为覆层的金属源的合金制成的靶；以及用于放置基材2的旋转型基材支架104。将电弧电源108连接到阴极106上，并且将电弧电源109连接到阴极107上。将偏压电源110连接到基材支架104上。此外，腔室101设置有将气体105引入到其中的进气口以及用于调整腔室101内的压力的排气口103，并且可以通过真空泵经由排气口103抽吸腔室101中的气体。

将由JIS P30等级的硬质合金制成且形状为JIS CNMG120408的基材2、以及由Sumitomo Electric Hardmetal Corp.制造的SEMT13T3AGSN刀片安装到基材支架104上。

随后，使用真空泵将腔室101内部抽真空，并且在使基材2旋转的同时，运行设置在装置中的加热器以将温度升高至500℃，由此将腔室101内部抽真空以得到1.0×10^-4Pa的压力。随后，通过进气口引入气态氩，并且将腔室101内的压力保持在3.0Pa。将偏置电源110的电压逐渐增加到-1000V，并且将基材2的表面清洁15分钟。随后，从腔室101中排出气态氩以清洗基材(即，氩轰击处理)。

(2)覆层的形成

随后，使基材2绕中心旋转，在引入气态氮作为反应气体并将基材2保持在500℃，将反应气体保持在2.0Pa的压力，并且将偏压电源110的电压保持在范围为-50V至-200V的固定值的同时，向阴极106和107各自供应100A的电弧电流，由此产生金属离子，从而形成具有表1所示组成的下底层和交替层。予以注意，调节阴极106的组成，使得Zr、Al、Si、B和V的比率等于表1所示的第一单元层的组成的比率。此外，调节阴极107的组成，使得Ti、Si、B和V的比率等于表1所示的第二单元层的组成的比率。

通过在下底层上以表1所示的层叠层数彼此交替层叠第一单元层和第二单元层，从而形成交替层。此外，通过基材的旋转速度来调节下底层的厚度、交替层中第一单元层和第二单元层各自的厚度、以及第一单元层和第二单元层的层叠数。当下底层和交替层各自达到表1所示的厚度值时，停止向蒸发源供应电流。

随后，在将氮气和甲烷气体作为反应气体引入腔室101中，并且将基材2保持在400℃，将反应气体的压力保持在2.0Pa，并且将偏压电源110的电压保持在-350V的同时，向阴极120供应100A的电弧电流，由此产生金属离子，从而在交替层上形成前表面层。当前表面层达到表1所示的厚度值时，停止向蒸发源供应电流。予以注意，调节阴极102的组成，使得Al、Ti、Si、B和V的比率等于表1所示的前表面层的组成的比率。通过引入的氮的量和引入的甲烷气体的量的比率调节前表面层的组成中氮与碳的比率。由此制作试样1至3、6至14、16、17、20、21和23的替换型切削刀片。

分别如下制作试样4和5的替换型切削刀片：在与试样1相同的基材上，交替形成各自具有表1所示的组成的第一单元层和第二单元层，此外，形成前表面层，并且不形成下底层。

如下制作试样15的替换型切削刀片：在与试样1相同的基材上，交替形成各自具有表1所示的组成的第一单元层和第二单元层，并且不形成下底层和前表面层。

如下制作试样18的替换型切削刀片：在与试样1相同的基材上，仅形成具有表1所示的组成的第二单元层，并且不形成下底层、第一单元层和前表面层。

分别如下制作试样19和22的替换型切削刀片：在与试样1相同的基材上，形成具有表1所示的组成的下底层，并且交替形成各自具有表1所示的组成的第一单元层和第二单元层，并且不形成前表面层。

使用XPS(X射线光电子能谱仪)测定表1所示的下底层、第一单元层、第二单元层和前表面层的组成。

在表1中，“每层的厚度”是指构成交替层的第一单元层和第二单元层中的每一层的厚度。在表1中，“厚度”是指下底层、第一单元层、第二单元层、前表面层和覆层各自的总厚度。“每层的厚度”和“厚度”分别为用TEM和SEM测量的值。

在表1中，“层叠的层数”是指交替层中第一单元层的层叠数以及交替层中第二单元层的层叠数。

在表1中，“覆层整体”的“硬度”为用纳米压头(由MTS制造的Nano Indenter XP)确定的值。

表1中，“覆层整体”的“压缩残余应力”为使用X射线残余应力测定装置并通过

法(参见“X-Ray Stress Measurement,”日本材料科学学会，1981年，由Yokendo Co.,Ltd.出版，54-66页)测定的值。

在表1中，通过使用X射线衍射仪的分析获得“覆层整体”的“结晶性”。

<表面被覆切削工具的寿命的评价>

(车削试验)

对于具有CNMG120408形状的试样1至23的替换型切削刀片，在表2所示的条件下进行加工各工件的湿式连续车削试验和断续车削试验，从而测定刀片的切削刃的后刀面磨损量达到0.2mm时所花费的时间。结果如表3所示。在表3中，切削时间越长，表明寿命越长。

[表2]

表2

[表3]

表3

试样1至15、22和23的替换型切削刀片对应于实施例，试样16至21的替换型切削刀片对应于比较例。当将试样1至15、22和23与试样16至21进行比较时，在连续车削试验和断续车削试验这两者中，试样1至15、22和23的切削刃的后刀面磨损量均显著减少，并且已经证实，试样1至15、22和23也能够快速且显著有效地加工难切削材料，同时替换型切削刀片具有显著延长的寿命。

(铣削试验)

分别使用试样1至23的SEMT13T3AGSN形状的替换型切削刀片，将150mm宽的平板作为各工件，将该平板的中心线与比该平板宽的

的切削刀具的中心对准，从而在如表4所示的干式铣削试验的条件下进行表面铣削，从而测量在切削刃的后刀面磨损量为0.2mm时达到的切削长度。结果示于表5。在表5中，切削长度越长，表示寿命越长。

[表4]

表4

通过

刀具的中心切削进行评价

[表5]

表5

试样1至15、22和23对应于实施例，试样16至21对应于比较例。当将试样1至15、22和23与试样16至21进行比较时，试样1至15、22和23的切削刃的切削长度显著增加，并且已经证实，试样1至15、22和23还能够进行快速且高效的干式铣削，同时替换型切削刀片具有显著延长的寿命。

因此，虽然已经描述了本公开的实施方案和实施例，但是最初还计划适当地组合并且多方面地修改实施方案和实施例的配置。

应当理解，本文公开的实施方案和实施例仅是为了说明的目的而描述的，并且在任何方面都是非限制性的。本发明的范围由权利要求的权项限定，而不是由上述实施方案和实施例限定，并且旨在包括与权利要求的权项等同的含义和范围内的任何修改。

附图标记列表

1表面被覆切削工具，2基材，3覆层，12第一单元层，13交替层，14前表面层，15第二单元层，16下底层，101腔室，103排气口，104基材支架，105气体，106、107、120阴极，108、109电弧电源，110偏压电源。

Claims (11)

1.一种表面被覆切削工具，包括基材和被覆所述基材的覆层，

所述覆层包括由交替层叠的第一单元层和第二单元层构成的交替层，

所述第一单元层由包含铝和锆的氮化物构成，

在所述第一单元层中，当构成所述第一单元层的金属原子的总数表示为1时，所述锆的原子数与所述金属原子的总数的比率为0.65以上0.95以下，

所述第二单元层由包含钛和硅的氮化物构成，

在所述第二单元层中，当构成所述第二单元层的金属原子的总数表示为1时，所述硅的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.20以下。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中当所述交替层中彼此相邻的所述第一单元层和所述第二单元层分别具有厚度λ1和厚度λ2时，比率λ2/λ1为1以上5以下。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中

所述第一单元层包含硅，并且

在所述第一单元层中，当构成所述第一单元层的金属原子的总数表示为1时，所述硅的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.20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

所述第一单元层包含硼，并且

在所述第一单元层中，当构成所述第一单元层的金属原子的总数表示为1时，所述硼的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.10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

所述第二单元层包含硼，并且

在所述第二单元层中，当构成所述第二单元层的金属原子的总数表示为1时，所述硼的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.10以下。

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

所述第一单元层包含钒，并且

在所述第一单元层中，当构成所述第一单元层的金属原子的总数表示为1时，所述钒的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.30以下。

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

所述第二单元层包含钒，并且

在所述第二单元层中，当构成所述第二单元层的金属原子的总数表示为1时，所述钒的原子数与所述金属原子的总数的比率大于0并且为0.30以下。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的表面被覆切削工具，其中所述第一单元层和所述第二单元层各自的厚度为0.002μm以上0.2μm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

所述覆层包括设置在所述基材和所述交替层之间的下底层，并且

所述下底层具有与所述第一单元层或所述第二单元层相同的组成。

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

所述覆层包括设置在所述交替层的前表面侧的前表面层，并且

所述前表面层由包含钛的碳氮化物构成。

11.一种制造根据权利要求1至10中任一项所述的表面被覆切削工具的方法，包括：

准备所述基材；以及

通过物理气相沉积在所述基材上交替层叠所述第一单元层和所述第二单元层，以在所述基材上形成所述交替层，从而获得所述表面被覆切削工具。

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