CN113905842A

CN113905842A - 切削工具

Info

Publication number: CN113905842A
Application number: CN202080041426.5A
Authority: CN
Inventors: 奥野晋; 城户保树; 小林史佳; 阿侬萨克·帕索斯
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2022-01-07
Also published as: JP6946613B1; US20220331880A1; EP3964311A1; EP3964311B1; EP3964311A4; WO2021205645A1; JPWO2021205645A1

Abstract

一种切削工具，包括基材和设置在上述基材上的被覆层，上述被覆层由设置在上述基材上的碳氮化钛层、附接在上述碳氮化钛层上而设置的中间层、以及附接在上述中间层上而设置的氧化铝层构成，上述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，上述中间层的厚度超过1μm，当将所述中间层与所述氧化铝层的界面处的所述碳的原子比例设为P_C1原子％、并且将在所述中间层侧距离所述界面1μm的位置A处的所述碳的原子比例设为P_C2原子％时，P_C1相对于P_C2的比P_C1/P_C2为1.03以上。

Description

切削工具

技术领域

本公开涉及切削工具。

背景技术

一直以来，使用在基材上被覆有覆膜的切削工具。例如，日本特开平09-174304号公报(专利文献1)公开了一种耐崩裂性优异的表面被覆硬质合金制的切削工具，其中，在碳化钨基硬质合金基体的表面上，以5～20μm的平均层厚形成有硬质被覆层，该硬质被覆层由碳化钛层、氮化钛层、以及碳氮化钛层中的1种单层或2种以上的复层制成的内侧层、由碳氧化钛层和/或碳氮氧化钛层制成的中间层、以及由氧化铝层制成的外侧层构成，其特征在于：上述中间层的与作为外侧层的氧化铝层的界面部分为尖锐的针状结晶结构。

此外，日本特开2009-166216号公报(专利文献2)公开了一种被覆工具，其中，在基体表面上形成有选自元素周期表4a、5a、6a族金属元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、碳氧化物、氮氧化物以及碳氮氧化物中的任意1种的单层皮膜或2种以上的多层皮膜，在该皮膜的上层经由结合膜而形成有α型氧化铝膜，其特征在于：该结合膜与该α型氧化铝膜的界面处的该结合膜的表面形状具有由树状突起和与其相连接的枝状突起所构成的树枝形状，当将该枝状突起的长度(nm)设为LB时，5≤LB≤200，通过透射电子显微镜的观察，该枝状突起与该α型氧化铝膜的界面具有连续的格纹。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平09-174304号公报

专利文献2：日本特开2009-166216号公报

发明内容

本公开涉及的切削工具，包括基材和设置在上述基材上的被覆层，其中，

上述被覆层由设置在上述基材上的碳氮化钛层、附接在上述碳氮化钛层上而设置的中间层、以及附接在上述中间层上而设置的氧化铝层构成，

上述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，

上述中间层的厚度超过1μm，

当将所述中间层与所述氧化铝层的界面处的所述碳的原子比例设为P_C1原子％、并且将在所述中间层侧距离所述界面1μm的位置A处的所述碳的原子比例设为P_C2原子％时，P_C1相对于P_C2的比P_C1/P_C2为1.03以上。

附图说明

[图1]图1为例示出切削工具的基材的一个方式的透视图。

[图2]图2为本实施方式的一个方式的切削工具的示意性剖面图。

[图3]图3为本实施方式的其他方式的切削工具的示意性剖面图。

[图4]图4为本实施方式的一个方式的被覆层的示意性剖面图。

[图5]图5为示出在覆膜的制造中所使用的化学气相沉积装置的一个例子的示意性剖面图。

[图6]图6为用于说明被覆层剖面中的线分析方法的照片。

[图7]图7为示出通过AES法对图6中的被覆层剖面进行线分析而得的结果的图表。

具体实施方式

[本公开所要解决的课题]

在专利文献1和专利文献2中，通过具有上述那样构成的覆膜，氧化铝层和与该氧化铝层接触的其他层之间的密着性得以提高，从而可以期待延长切削工具的寿命。

然而，在近年的切削加工中，随着高速化和高效率化的发展，施加在切削工具上的负荷增大，切削工具的寿命倾向于短期化。因此，需要进一步提高切削工具的覆膜的机械特性(例如，耐剥离性、耐磨损性、耐崩裂性等)。

本公开是鉴于上述情况而作出的，目的在于提供一种耐崩裂性得以提高的切削工具。

[本公开的效果]

根据本公开，可以提供一种耐崩裂性得以提高的切削工具。

[本公开的实施方式的说明]

首先，列出本公开的实施方式并进行说明。

[1]本公开涉及的切削工具，包括基材和设置在上述基材上的被覆层，其中，

上述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，

上述中间层的厚度超过1μm，

上述切削工具通过具备上述那样的构成，从而耐崩裂性得以提高。这里，“耐崩裂性”是指用于切削加工时，对于包含被覆层的覆膜中产生微小缺口的耐性。

[2]上述P_C1优选为25原子％以上65原子％以下。通过这样的规定，耐崩裂性得以进一步提高。

[3]当将上述界面处的上述氮的原子比例设为P_N1原子％、并且将上述位置A处的上述氮的原子比例设为P_N2原子％时，P_N1相对于P_N2的比P_N1/P_N2优选为0.9以上且小于1。通过这样的规定，除了耐崩裂性之外，氧化铝层的耐剥离性也得以提高。这里，“氧化铝层的耐剥离性”是指在用于切削加工时，对于上述氧化铝层从切削工具的中间层剥离的耐性。

[4]当将上述界面处的上述氧的原子比例设为P_O1原子％、并且将上述位置A处的上述氧的原子比例设为P_O2原子％时，P_O1相对于P_O2的比P_O1/P_O2优选为0.9以上且小于1。通过这样的规定，除了耐崩裂性之外，耐磨损性也得以提高。这里，“耐磨损性”是指用于切削加工时，对于包含被覆层的覆膜发生磨损的耐性。

[5]上述中间层的厚度优选超过1μm且为3μm以下。通过这样的规定，耐崩裂性得以进一步提高。

[6]优选在上述基材与上述被覆层之间进一步设置基底层。通过这样的规定，除了耐崩裂性之外，上述基材与上述被覆层的密着性也得以提高。

[7]优选在上述被覆层上进一步设置表面层。通过这样的规定，可以提供除了耐崩裂性之外耐磨损性也优异的切削工具。

[本公开的实施方式的详细情况]

以下，对本公开的一个实施方式(以下称为“本实施方式”)进行说明。但是，本实施方式不限于此。在本说明书中，“X～Z”这种形式的表述是指范围的上下限(即，X以上Z以下)，当在X中没有单位记载而仅在Z中记载单位时，X的单位与Z的单位相同。此外，在本说明书中，例如“TiC”等这样的，当由未限定构成元素的组成比的化学式来表示化合物时，该化学式包括现有已知的所有组成比(元素比)。此时，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，在“TiC”的化学式中，不仅包括化学计量组成“Ti₁C₁”，而且还包括(例如)“Ti₁C_0.8”这样的非化学计量组成。这对于“TiC”以外的化合物的记载也是同样的。

《切削工具》

上述被覆层由设置在上述基材上的碳氮化钛层、附接在上述碳氮化钛层上而设置的中间层、以及附接在上述中间层上而设置的氧化铝层组成，

上述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，

上述中间层的厚度超过1μm，

本实施方式的切削工具50具备：基材10和设置在上述基材10上的被覆层40(以下，有时简称为“切削工具”)(图2)。除了上述被覆层40之外，上述切削工具50还可以包括设置在上述基材10与上述被覆层40之间的基底层23(图3)。上述切削工具50还可以包括设置在上述被覆层40上的表面层24(图3)。对于基底层23和表面层24等其他层，将在后面进行叙述。

需要说明的是，有时将设置在上述基材10上的上述各层统称为“覆膜”。即，上述切削工具50具备设置在上述基材10上的覆膜45，上述覆膜45包含上述被覆层40。此外，上述覆膜45还可以包含上述基底层23或上述表面层24。

本实施方式的切削工具(以下，有时简称为“切削工具”)50具备：基材10和被覆上述基材10的覆膜45(参照图2、图3)。在本实施方式的一个方面中，上述覆膜可以被覆上述基材的前刀面，也可以被覆前刀面以外的部分(例如，后刀面)。上述切削工具可以为(例如)钻头、端铣刀、钻头用可替换切削刀片、端铣刀用可替换切削刀片、铣削加工用可替换切削刀片、车削加工用可替换切削刀片、金属锯、齿轮切削工具、铰刀、丝锥等。

＜基材＞

本实施方式的基材可以使用任何基材，只要是作为这种基材的现有已知的材料即可。例如，上述基材优选包含由硬质合金(例如，碳化钨(WC)基硬质合金、除了WC之外还包含Co的硬质合金、除了WC之外还添加有Cr、Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬质合金等)、金属陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等为主要成分)、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)以及金刚石烧结体组成的组中的至少1种，更优选包含选自由硬质合金、金属陶瓷以及cBN烧结体组成的组中的至少1种。

在这些各种类型的基材中，特别优选选择WC基硬质合金或cBN烧结体。这是因为，这些基材在高温下的硬度与强度之间的平衡是特别优异的，并且作为上述用途的切削工具的基材具有优异的特性。

当使用硬质合金作为基材时，即使在这样的硬质合金的织构中包含游离碳或被称为η相的异常相，也可以表现出本实施方式的效果。需要说明的是，本实施方式中使用的基材的表面可被改性。例如，当其为硬质合金时，可以在其表面形成脱β层，或者当其为cBN烧结体时，可以形成表面硬化层，并且即使以这种方式对表面进行改性，也可以表现出本实施方式的效果。

图1为例示出切削工具的基材的一个方式的透视图。将这种形状的基材用作(例如)车削加工用可替换切削刀片的基材。上述基材10具有前刀面1、后刀面2、以及上述前刀面1与后刀面2相交处的切削刃棱线部3。即，前刀面1和后刀面2是夹着切削刃棱线部3而连接的面。切削刃棱线部3构成基材10的切削刃前端部。也可以将这种基材10的形状理解为上述切削工具的形状。

当上述切削工具为切削刃可替换切削刀片时，上述基材10还包括具有断屑器的形状或不具有断屑器的形状。切削刃棱线部3的形状包含以下当中的任一种形状：锐边(前刀面与后刀面相交形成的棱)、珩磨边(对锐边赋予圆角而得的形状)、负刃倾角(negativeland，倒角的形状)、珩磨边和负刃倾角组合而得的形状。

以上，使用图1对基材10的形状和各部分的名称进行了说明，但是在本实施方式涉及的切削工具50中，对于与上述基材10对应的形状和各部分的名称，使用与上述同样的术语。即，上述切削工具具有前刀面、后刀面、以及连接上述前刀面和上述后刀面的切削刃棱线部。

＜覆膜＞

本实施方式涉及的覆膜45包括设置在上述基材10上的被覆层40(参照图2)。“覆膜”通过被覆上述基材的至少一部分(例如，在切削加工时与被切削材料接触的前刀面等)而具有提高切削工具的耐崩裂性、耐磨损性、耐剥离性等各种特性的作用。上述覆膜不限于被覆上述基材的一部分，而是优选被覆上述基材的整个表面。然而，即使上述基材的一部分没有被上述覆膜被覆、或者覆膜的构成存在部分地不同，这也不脱离本实施方式的范围。

上述覆膜的厚度优选为7μm以上30μm以下、更优选为7μm以上25μm以下。这里，覆膜的厚度是指构成覆膜的层各自厚度的总和。作为“构成覆膜的层”，例如可列举出：后述的被覆层(碳氮化钛层、中间层、氧化铝层)、基底层以及表面层等。上述覆膜的厚度(例如)可以通过以下方式来求出：使用扫描透射电子显微镜(STEM)测定在平行于基材表面的法线方向的剖面试样中的任意10个点，并获取所测定的10个点的厚度的平均值。当测定后述的被覆层(碳氮化钛层、中间层、氧化铝层)、基底层以及表面层等各自的厚度时也是同样的。作为扫描透射电子显微镜，例如可列举出日本电子株式会社制的JEM-2100F(商品名)。

(被覆层)

本实施方式中的被覆层设置在上述基材上。这里，“设置在基材上”是指：不限于设置在基材的正上方的方式(参照图2)，也包括经由其他的层而设置在基材上的方式(参照图3)。即，只要能够发挥本公开的效果，则上述被覆层可以设置在上述基材的正上方，也可以经由后述的基底层等其他层而设置在上述基材上。也可以在上述被覆层上设置表面层等其他层。此外，上述被覆层可以是上述覆膜的最表面。

上述被覆层40由设置在上述基材10上的碳氮化钛层20、附接在上述碳氮化钛层20上而设置的中间层21、以及附接在上述中间层21上而设置的氧化铝层22构成(参照图2)。

上述被覆层的厚度优选为7μm以上30μm以下、更优选为7μm以上25μm以下。上述被覆层的厚度可以通过与上述同样的方法，使用STEM观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。以下，对构成被覆层的碳氮化钛层、中间层以及氧化铝层进行说明。

(碳氮化钛层)

本实施方式涉及的碳氮化钛层20设置在上述基材10上。上述碳氮化钛层可以仅由碳氮化钛(TiCN)构成，也可以由碳氮化钛和不可避免的杂质构成。作为上述不可避免的杂质，例如可列举出氧、氯等。碳氮化钛层的厚度优选为3μm以上20μm以下、更优选为3μm以上15μm以下。碳氮化钛层的厚度可以通过与上述同样的方法，使用STEM观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。

(中间层)

本实施方式涉及的中间层21是附接在上述碳氮化钛层20上而设置的。上述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成。作为该化合物，例如可列举出钛的碳氮氧化物(TiCNO)等。在本实施方式的一个方面中，中间层优选由TiCNO构成。需要说明的是，上述中间层可以仅由由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，也可以由该化合物和不可避免的杂质构成。作为上述不可避免的杂质，例如可列举出氯等。

上述中间层的厚度超过1μm，优选为超过1μm且为3μm以下、更优选为1.1μm以上2μm以下。中间层的厚度可以通过与上述同样的方法，使用STEM观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。

(氧化铝层)

本实施方式中的氧化铝层22是附接在上述中间层21上而设置的。上述氧化铝层可以仅由氧化铝(Al₂O₃)构成，也可以由氧化铝和不可避免的杂质构成。作为上述不可避免的杂质，例如可列举出氯、硫等。上述氧化铝优选为α型氧化铝(α-Al₂O₃)。氧化铝层的厚度优选为3μm以上20μm以下、更优选为3μm以上15μm以下。氧化铝层的厚度可以通过与上述同样的方法，使用STEM观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。

(中间层与氧化铝层的界面附近处的碳的原子比例)

在本实施方式中，当将上述中间层与上述氧化铝层的界面处的上述碳的原子比例设为P_C1原子％、并且将在上述中间层侧距离上述界面1μm的位置A处的上述碳的原子比例设为P_C2原子％时，P_C1相对于P_C2的比P_C1/P_C2为1.03以上、优选为1.03以上1.1以下、更优选为1.04以上1.09以下、进一步优选为1.05以上1.08以下。这里，上述碳的原子比例P_C1和P_C2是以钛、碳、氧及氮的总和为基准时的原子比例。

具备上述那样构成的中间层中，碳原子不均匀地存在在其与氧化铝层的界面附近处。因此，上述中间层在其与氧化铝层的界面附近处韧性得以提高。其结果，本发明人认为，耐崩裂性得以提高。

通过俄歇电子能谱(AES法)对平行于上述基材表面的法线方向的剖面试样进行线分析，可以求出碳的原子比例。具体而言，首先，通过横截面抛光加工(CP加工)等对上述剖面试样的切割面进行研磨。使用场发射扫描显微镜(FE-SEM)对研磨后的切割面进行分析，以获得图6所示那样的被覆层的剖面SEM图像。此时的测定倍率为50000倍。在图6中，将被覆层横向放置，中间层观察为暗的区域，氧化铝层观察为明亮的区域。接下来，在上述剖面SEM图像的视野中，在与上述中间层的层叠方向平行的方向上从碳氮化钛层侧朝向氧化铝层侧(图6中的白色箭头的方向上且沿着黑线)，通过AES法对上述研磨后的切割面进行线分析。此时的测定间距为0.016μm。此外，AES法的其他测定条件为以下条件。作为AES法的测定装置，例如可列举出アルバック·ファイ社制的PHI700(商品名)。

(AES法的测定条件)

测定加速电压：10kV

测定电流：10mA

试样倾斜角度：30°

溅射电压：1kV

图7为示出通过进行上述线分析而获得的结果的图表的一个例子。在图7中，X轴(横轴)表示距测定开始点的距离。在图7中，Y轴(纵轴)表示测定对象的各元素的原子比例(原子％)。需要说明的是，在上述研磨后的切割面中存在源自中间层的氧(图7的O_Ti)和源自氧化铝层的氧(图7的O_Al)，但是通过使用标准光谱对所获得的测定数据进行波形分离处理，可以将两者区分开。具体而言，首先，准备纯度为99.99％的铝锭(例如，ニコラ社制)作为铝的标准试样。接着，准备纯度为99.99％的氧化铝粉末(例如，石津製薬社制)与高纯度碳粉末的混合粉末作为氧化铝的标准试样。此时，以质量比计，将上述氧化铝粉末与上述高纯度碳粉末的混合比例设为1：1。使用AES法对所准备的2种标准试样分别进行光谱测定，从而获得各自的标准光谱。然后，使用所获得的2种标准光谱，对由上述测定数据的横轴表示的各测定地点处的测定光谱进行波形分离处理，计算出源自中间层的氧和源自氧化铝层的氧的各自的原子比例。接下来，基于该图表，将Al的原子比例为10原子％的位置设为“中间层与氧化铝层的界面”(参照图4、图7)。此外，将在上述中间层侧距离该界面1μm的位置设为“位置A”(参照图4、图7)。然后，基于上述图表求出中间层与氧化铝层的界面处的上述碳的原子比例(P_C1)、和上述位置A处的上述碳的原子比例(P_C2)。

至少进行3次上述那样的测定，将由各测定所求出的上述碳的原子比例的平均值设为该被覆层中的碳的原子比例(P_C1和P_C2)。可以以同样的方法求出后述的氮的原子比例(P_N1和P_N2)、以及氧的原子比例(P_O1和P_O2)。这里，“上述氧的原子比例”是指源自上述中间层的氧的原子比例。

上述P_C1优选为25原子％以上65原子％以下、更优选为35原子％以上60原子％以下、进一步优选为40原子％以上60原子％以下。

上述P_C2优选为22原子％以上63原子％以下、更优选为35原子％以上60原子％以下。

在本实施方式中，对夹在上述界面P_B与包含上述位置A的假想平面P_A之间的区域中的上述碳的原子比例的多寡没有特别地限定。

例如，当将在上述中间层侧距离上述界面0.5μm的位置M(未图示)处的上述碳的原子比例设为P_C3原子％时，上述P_C3可以为P_C1以上、也可以为P_C2以下、还可以为P_C2以上P_C1以下。在本实施方式的一个方面中，上述P_C3优选为P_C2以上且为P_C1与P_C2的平均值以下。在本实施方式的另一个方面中，上述P_C3优选为25原子％以上65原子％以下、更优选为35原子％以上60原子％以下、进一步优选为40原子％以上60原子％以下。

此外，当将在上述中间层侧距离上述界面0.5μm的位置M(未图示)处的上述碳的原子比例设为P_C3原子％时，P_C3相对于P_C2的比P_C3/P_C2优选为0.9以上1.1以下、更优选为0.95以上1.05以下。

(中间层与氧化铝层的界面附近处的氮的原子比例)

在本实施方式中，当将上述界面处的上述氮的原子比例设为P_N1原子％、并且将上述位置A处的上述氮的原子比例设为P_N2原子％时，P_N1相对于P_N2的比P_N1/P_N2优选为0.9以上且小于1、更优选为0.92以上0.98以下。这里，上述氮的原子比例P_N1和P_N2是以钛、碳、氧及氮的总和为基准时的原子比例。

据认为，在具备上述那样的构成的中间层中，在其与氧化铝层的界面附近，在与上述中间层的厚度方向垂直的方向(面内方向)上存在氧原子多的部分和少的部分不均匀的倾向。其结果，本发明人认为，除了上述耐崩裂性以外，上述氧化铝层的耐剥离性也得以提高。

上述P_N1优选为5原子％以上35原子％以下、更优选为10原子％以上30原子％以下。

上述P_N2优选为5原子％以上35原子％以下、更优选为10原子％以上30原子％以下。

(中间层与氧化铝层的界面附近处的氧的原子比例)

在本实施方式中，当将上述界面处的上述氧的原子比例设为P_O1原子％、并且将上述位置A处的上述氧的原子比例设为P_O2原子％时，P_O1相对于P_O2的比P_O1/P_O2优选为0.9以上且小于1、更优选为0.92以上0.98以下。这里，上述氧的原子比例P_O1和P_O2是以钛、碳、氧及氮的总和为基准时的原子比例。此外，“上述氧的原子比例”是指源自上述中间层的氧的原子比例。

在具备上述那样的构成的中间层中，在其与氧化铝层的界面附近，在与上述中间层的厚度方向垂直的方向(面内方向)上存在氮原子多的部分和少的部分不均匀的倾向。其结果，本发明人认为，除了耐崩裂性以外，耐磨损性也得以提高。

上述P_O1优选为5原子％以上25原子％以下、更优选为10原子％以上20原子％以下。

上述P_O2优选为5原子％以上25原子％以下、更优选为10原子％以上20原子％以下。

(基底层)

上述切削工具优选在上述基材10与上述被覆层40之间进一步设置基底层(参照图3)。上述基底层23优选包含TiN。上述TiN优选为立方晶体。

上述基底层的厚度优选为0.1μm以上3μm以下、更优选为0.3μm以上1μm以下。与上述同样地，这样的厚度可以通过使用扫描透射电子显微镜(STEM)等观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。

(表面层)

上述切削工具优选在上述被覆层上进一步设置表面层(参照图3)。上述表面层24优选包含由钛元素与选自由C、N及B组成的组中的至少1种元素组成的化合物。

作为上述表面中所包含的化合物，例如可列举出TiC、TiN、TiCN以及TiB₂等。

上述表面层的厚度优选为0.1μm以上3μm以下、更优选为0.3μm以上1.5μm以下。与上述同样地，这样的厚度可以通过使用扫描透射电子显微镜(STEM)等观察基材和覆膜的垂直剖面来进行确认。

(其他层)

在不损害本实施方式涉及的切削工具所发挥的效果的范围内，上述覆膜可以进一步包含其他的层。上述其他的层与上述碳氮化钛层、上述中间层、上述氧化铝层、上述基底层或上述表面层的组成可以不同，也可以相同。作为其他的层中包含的化合物，例如可列举出：TiN、TiCN、TiBN以及Al₂O₃等。需要说明的是，对上述其他的层的层叠顺序没有特别地限定。在不损害本实施方式的效果的范围内，对上述其他的层的厚度没有特别的限制，但是例如可列举出0.1μm以上20μm以下。

《切削工具的制造方法》

本实施方式涉及的切削工具的制造方法，包括：

准备上述基材的第1工序(以下，有时简称为“第1工序”)；

通过化学气相沉积法在上述基材上形成上述碳氮化钛层的第2工序(以下，有时简称为“第2工序”)；

使用包含钛作为构成元素的气体、包含氮作为构成元素的气体、以及包含一氧化碳气体和甲烷气体的原料气体，通过化学气相沉积法在上述碳氮化钛层的正上方形成上述中间层的第3工序(以下，有时简称为“第3工序”)；以及

通过化学气相沉积法在上述中间层的正上方形成上述氧化铝层的第4工序(以下，有时简称为“第4工序”)，

在上述第3工序中，在使上述甲烷气体相对于包含上述氮作为构成元素的气体的分压比P_CH4/P_N2g增加的同时，形成上述中间层。

＜第1工序：准备基材的工序＞

在第1工序中，准备基材。例如，准备作为基材的硬质合金基材。硬质合金基材可以使用市售品，也可以采用通常的粉末冶金法来制造。当采用通常的粉末冶金法制造时，(例如)使用球磨机等混合WC粉末和Co粉末等以获得混合粉末。在干燥该混合粉末之后，将其成形为预定的形状以获得成形体。进一步，烧结该成形体以获得WC-Co系硬质合金(烧结体)。接下来，通过对该烧结体进行珩磨处理等预定的切削刃加工，可以制造由WC-Co系硬质合金制成的基材。在第1工序中，可以准备除了上述以外的任何基材，只要是作为该种基材的现有已知的基材即可。

＜第2工序：在基材上形成碳氮化钛层的工序＞

在第2工序中，通过化学气相沉积法(CVD法)在上述基材上形成碳氮化钛层。

图5为示出在覆膜的制造中所使用的化学气相沉积装置(CVD装置)的一个例子的示意性剖面图。以下，使用图5对第2工序进行说明。CVD装置30具备：多个用于保持基材10的基材固定夹具31、以及覆盖基材固定夹具31并由耐热合金钢制的反应容器32。此外，在反应容器32的周围设置有用于控制反应容器32内的温度的调温装置33。反应容器32设置有具有气体导入口34的气体导入管35。在配置有基材固定夹具31的反应容器32的内部空间中，以在垂直方向上延伸并可以以该垂直方向为轴进行旋转的方式配置气体导入管35。此外，上述气体导入管35设置有用于将气体喷出到反应容器32内的多个喷出孔36。使用该CVD装置30，可以如下地形成构成上述被覆层的碳氮化钛层等。

首先，将基材10配置在基材固定夹具31上，并将反应容器32内的温度和压力控制在预定的范围内，同时，将上述碳氮化钛层用的原料气体从气体导入管35导入反应容器32内。由此，在基材10上形成碳氮化钛层20。这里，优选的是，在形成上述碳氮化钛层20之前(即，第2工序之前)，通过将基底层用的原料气体从气体导入管35导入反应容器32内，从而在基材10的表面上形成基底层(例如，包含TiN的层)。以下，对在基材10的表面上形成基底层之后再形成上述碳氮化钛层20的方法进行说明。

作为上述基底层用的原料气体，没有特别地限制，例如可列举出TiCl₄与N₂的混合气体。

形成上述基底层时的反应容器32内的温度优选控制在1000～1100℃。形成上述基底层时的反应容器32内的压力优选控制在0.1～1013hPa。需要说明的是，优选使用H₂作为载气。此外，当导入气体时，优选通过未图示的驱动部来使气体导入管35旋转。由此，可以使各气体均匀地分散在反应容器32内。

此外，上述基底层也可以采用MT(Medium Temperature：中温)-CVD法来形成。与在1000～1100℃的温度下进行的CVD法(以下，也称为“HT-CVD法”)不同，MT-CVD法是通过将反应容器32内的温度保持在850～950℃这样的比较低的温度来形成层的方法。与HT-CVD法相比，MT-CVD法是在比较低的温度下进行的，因此可以减少由加热引起的对基材10的损坏。特别是，当上述基底层为TiN层时，优选通过MT-CVD法形成。

接下来，在上述基底层上形成上述碳氮化钛层。作为原料气体，例如使用TiCl₄、CH₃CN及N₂的混合气体。

原料气体中的TiCl₄的含有比例优选为0.8～3.0体积％、更优选为1.0～2.7体积％、进一步优选为1.5～2.5体积％。TiCl₄的优选流量为1.0～2.5L/min。

原料气体中的CH₃CN的含有比例优选为0.2～1.5体积％、更优选为0.3～1.2体积％、进一步优选为0.5～1.0体积％。CH₃CN的优选流量为0.5～2.0L/min。

原料气体中的N₂的含有比例优选为10～30体积％、更优选为15～28体积％、进一步优选为17～25体积％。N₂的优选流量为10～25L/min。

反应容器32内的温度优选控制在950～1000℃。反应容器32内的压力优选控制在50～100hPa。此外，可以使用H₂作为载气。需要说明的是，与上述同样地，优选在导入气体时使气体导入管35旋转。

关于上述制造方法，通过控制CVD法的各条件来改变各层的形态。例如，根据导入至反应容器32内的原料气体的组成来确定各层的组成。通过实施时间(成膜时间)来控制各层的厚度。

＜第3工序：在碳氮化钛层的正上方形成中间层的工序＞

在第3工序中，使用包含钛作为构成元素的气体、包含氮作为构成元素的气体、以及包含一氧化碳气体和甲烷气体的原料气体，通过化学气相沉积法在上述碳氮化钛层的正上方形成上述中间层。

作为原料气体，例如使用TiCl₄(包含钛作为构成元素的气体)、CH₄、CO及N₂(包含氮作为构成元素的气体)的混合气体。

原料气体中的TiCl₄的含有比例优选为0.5～2.5体积％、更优选为0.7～2.0体积％、进一步优选为0.8～1.5体积％。TiCl₄的优选流量为0.5～1.0L/min。

原料气体中的CH₄的含有比例优选为2.0～7.0体积％、更优选为2.0～6.0体积％、进一步优选为2.5～4.5体积％。CH₄的优选流量为1.3～3.0L/min。

原料气体中的CO的含有比例优选为0.5～3.0体积％、更优选为0.7～2.5体积％、更优选为1.0～2.0体积％。CO的优选流量为0.6～1.5L/min。

原料气体中的N₂的含有比例优选为5～30体积％、更优选为7～25体积％、进一步优选为8～20体积％。N₂的优选流量为4～15L/min。

这里，在第3工序中，优选在使甲烷气体(CH₄)相对于包含氮作为构成元素的气体(例如，N₂)的分压比P_CH4/P_N2g增加的同时形成上述中间层。

以往，从抑制制造成本等观点来看，没有积极地改变成膜时原料气体的分压的想法。此外，即使不改变该分压，也可以形成具有所期望品质的覆膜。

然而，在近年的切削加工中，随着高速化和高效率化的发展，施加在切削工具上的负荷增大，切削工具的寿命倾向于短期化。鉴于这样的情况，本发明人进行了深入研究，结果发现，在使上述分压比P_CH4/P_N2g增加的同时形成上述中间层，从而可以将上述比P_C1/P_C2设定在预定的范围内。

第3工序开始时的分压比P_CH4/P_N2g优选为0.1～0.6、更优选为0.2～0.5。

第3工序结束时的分压比P_CH4/P_N2g优选为0.11～0.65、更优选为0.2～0.5。需要说明的是，结束时的分压比P_CH4/P_N2g当然大于开始时的分压比P_CH4/P_N2g。

反应容器32内的温度优选控制在920～980℃。反应容器32内的压力优选控制在50～250hPa。此外，可以使用H₂作为载气。需要说明的是，与上述同样地，优选在导入气体时使气体导入管35旋转。

＜第4工序：在中间层的正上方形成氧化铝层的工序＞

在第4工序中，使用化学气相沉积法在上述中间层的正上方形成氧化铝层。

作为原料气体，例如使用AlCl₃、CO₂、H₂S及HCl的混合气体。

原料气体中的AlCl₃的含有比例优选为0.5～6.0体积％、更优选为1.0～5.0体积％、进一步优选为2.0～4.0体积％。AlCl₃的优选流量为0.75～3.5L/min。

原料气体中的CO₂的含有比例优选为0.3～3体积％、更优选为0.4～2.5体积％、进一步优选为0.5～2.0体积％。CO₂的优选流量为0.25～2.0L/min。

原料气体中的H₂S的含有比例优选为0.02～2.0体积％、更优选为0.04～1.8体积％、进一步优选为0.05～1.5体积％。H₂S的优选流量为0.5～5.0L/min。

原料气体中的HCl的含有比例优选为0.5～6.0体积％、更优选为0.7～5.5体积％、进一步优选为1.0～5.0体积％。HCl的优选流量为0.5～5.0L/min、更优选的流量为1.0～5.0L/min。

反应容器32内的温度优选控制在950～1000℃。反应容器32内的压力优选控制在50～200hPa。此外，使用H₂作为载气。需要说明的是，与上述同样地，优选在导入气体时使气体导入管35旋转。

＜其他工序＞

在本实施方式涉及的制造方法中，除了上述工序之外，在不损害本实施方式的效果的范围内，可以适当地进行追加工序。作为上述追加工序，例如可列举出：在上述氧化铝层上形成表面层的工序、和对覆膜进行喷砂处理的工序等。作为形成表面层的方法，没有特别的限制，例如可列举出通过CVD法等而形成的方法。

以上的说明包括以下附记的特征。

(附记1)

一种切削工具，包括基材和设置在所述基材上的被覆层，其中，

所述被覆层由设置在所述基材上的碳氮化钛层、附接在所述碳氮化钛层上而设置的中间层、以及附接在所述中间层上而设置的氧化铝层构成，

所述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，

所述中间层的厚度超过1μm，

(附记2)

根据附记1所述的切削工具，其中，当将所述界面处的所述氮的原子比例设为P_N1原子％时，所述氮的原子比例P_N1为5原子％以上35原子％以下。

(附记3)

根据附记1或2所述的切削工具，其中，当将所述界面处的所述氧的原子比例设为P_O1原子％时，所述氧的原子比例P_O1为5原子％以上25原子％以下。

(附记4)

根据附记1至3中任一项所述的切削工具，其中，所述氧化铝层的厚度为3μm以上20μm以下。

(附记5)

根据附记1至4中任一项所述的切削工具，其中，所述碳氮化钛层的厚度为3μm以上20μm以下。

实施例

以下，列举出实施例并对本发明进行详细地说明，但是本发明不限于此。

《切削工具的制作》

＜第1工序：准备基材的工序＞

作为基材，准备了由TaC(2.0质量％)、NbC(1.0质量％)、Co(10.0质量％)及WC(余量)构成的组成(但是，包含不可避免的杂质)的硬质合金制的切削刀片(形状：CNMG120408N-UX、住友電工ハードメタル株式会社制、JIS B4120(2013))。

＜形成基底层的工序＞

在后述的第2工序之前，使用CVD装置在所准备的基材上形成基底层。基底层的形成条件如下所示。需要说明的是，各气体组成后面括号内的值表示各气体的流量(L/min)。此外，基底层的厚度和基底层的组成示于表1。

(基底层：TiN)

原料气体：TiCl₄(15L/min)、N₂(20L/min)、H₂(80L/min)

压力：95hPa

温度：860℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

＜第2工序：在基材上形成碳氮化钛层的工序＞

使用CVD装置在形成有基底层的基材上形成碳氮化钛层，然后移至后续工序的第3工序。碳氮化钛层的形成条件如下所示。此外，碳氮化钛层的厚度和碳氮化钛层的组成示于表1。

(碳氮化钛层：TiCN)

原料气体：TiCl₄(2.0L/min)、CH₃CN(0.8L/min)、N₂(20L/min)、H₂(65L/min)

压力：75hPa

温度：975℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

＜第3工序：在碳氮化钛层的正上方形成中间层的工序＞

接下来，使用CVD装置在形成有上述碳氮化钛层的基材上形成中间层。中间层的形成条件如下所示。此外，中间层的厚度和中间层的组成示于表1。这里，上述第3工序中的上述甲烷气体相对于上述氮气的分压比P_CH4/P_N2g示于表2。

(中间层：TiCNO)

原料气体：TiCl₄(0.8L/min)、CH₄(1.3～3.0L/min)、CO(1.0L/min)、N₂(6～12L/min)、H₂(35L/min)

压力：175hPa

温度：960℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

＜第4工序：在中间层的正上方形成氧化铝层的工序＞

接下来，使用CVD装置在形成有上述中间层的基材上形成氧化铝层。氧化铝层的形成条件如下所示。此外，氧化铝层的厚度和氧化铝层的组成示于表1。

(氧化铝层：α-Al₂O₃)

原料气体：AlCl₃(2.1L/min)、CO₂(0.5L/min)、H₂S(0.5L/min)、HCl(2.1L/min)、H₂(50L/min)

压力：150hPa

温度：980℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

＜形成表面层的工序＞

最后，使用CVD装置在形成有上述氧化铝层的基材(但是，试样4、12及103除外)上形成表面层。表面层的形成条件如下所示。此外，表面层的厚度和组成示于表1。需要说明的是，在表1中，由“-”表示的地方表示没有设置相应的层。

(表面层：TiN、TiC或TiCN)

(当其为TiN时)

原料气体：TiCl₄(4L/min)、N₂(20L/min)、H₂(70L/min)

压力：140hPa

温度：990℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

(当其为TiC时)

原料气体：TiCl₄(2L/min)、CH₄(3L/min)、H₂(75L/min)

压力：300hPa

温度：980℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

(当其为TiCN时)

原料气体：TiCl₄(4.5L/min)、CH₃CN(2.5L/min)、N₂(35L/min)、H₂(65L/min)

压力：75hPa

温度：975℃

成膜时间：以成为表1所示的厚度的方式进行适当地调整

[表1]

[表2]

通过以上步骤，制作了试样1～15和试样101～104的切削工具。

《切削工具的特性评价》

使用如上所述制作的试样的切削工具，如下评价切削工具的各个特性。这里，试样1～15相当于实施例，试样101～104相当于比较例。

＜构成覆膜的各层厚度的测定＞

构成覆膜的各层厚度通过如下方式求出：使用扫描透射电子显微镜(STEM)(日本电子株式会社制、商品名：JEM-2100F)，测定与基材表面的法线方向平行的剖面试样中的任意10个点，并取所测定的10个点的厚度的平均值。结果示于表1。

＜中间层与氧化铝层的界面附近处的各元素的原子比例(AES测定)＞

中间层与氧化铝层的界面附近的各元素(氧、氮、碳、铝等)的原子比例是通过俄歇电子能谱(AES法)对平行于上述基材表面的法线方向的剖面试样进行线分析而求得的。具体而言，首先，通过横截面抛光加工对上述剖面试样的切割面进行研磨。使用场发射扫描显微镜(FE-SEM)对研磨后的切割面进行分析，获得了被覆层的剖面SEM图像(例如，图6)。此时的测定倍率为50000倍。在图6中，中间层观察为暗的区域，并且氧化铝层观察为明亮的区域。接下来，在上述剖面SEM图像的视野中，在与上述中间层的层叠方向平行的方向上从碳氮化钛层侧朝向氧化铝层侧(例如，图6中的白色箭头的方向上且沿着黑线)，通过AES法对上述研磨后的切割面进行线分析。此时的测定间距为0.016μm。AES法的其他测定条件为以下条件。

(AES法的测定条件)

测定装置：アルバック·ファイ社制、商品名：PHI700

测定加速电压：10kV

测定电流：10mA

试样倾斜角度：30°

溅射电压：1kV

将通过上述线分析而得的数据制作成图表(例如，图7)。在该图表中，X轴(横轴)表示距测定开始点的距离，Y轴(纵轴)表示测定对象的各元素的原子比例(原子％)。这里，在上述研磨后的切割面中存在源自中间层的氧(O_Ti)和源自氧化铝层的氧(O_Al)，但是通过使用标准光谱对所获得的测定数据进行波形分离处理，可以将两者区分开。具体而言，首先，准备了纯度为99.99％的铝锭(例如，ニコラ社制)作为铝的标准试样。接下来，准备了纯度为99.99％的氧化铝粉末(石津制药社制)与高纯度碳粉末(高纯度化学研究所制)的混合粉末作为氧化铝的标准试样。此时，以质量比计，将上述氧化铝粉末与上述高纯度碳粉末的混合比例设为1：1。使用AES法对所准备的2种标准试样分别进行光谱测定，从而得到各自的标准光谱。然后，使用所获得的2种标准光谱，对由上述测定数据的横轴表示的各测定地点处的测定光谱进行波形分离处理，计算出源自中间层的氧和源自氧化铝层的氧的各自的原子比例。接下来，基于该图表，将Al的原子比例为10原子％的位置设为“中间层与氧化铝层的界面”(例如，参照图7)。此外，将在上述中间层侧距离该界面1μm的位置设为“位置A”(例如，参照图7)。此外，将在上述中间层侧距离该界面0.5μm的位置设为“位置M”(未图示)。然后，基于上述图表求出中间层与氧化铝层的界面处的氧、氮及碳各自的原子比例(P_O1、P_N1以及P_C1)，上述位置A处的氧、氮及碳各自的原子比例(P_O2、P_N2以及P_C2)，以及上述位置M处的上述碳的原子比例(P_C3)。进行3次这样的测定，将由各测定所求出的各元素的原子比例的平均值设为该被覆层中的该元素的原子比例。此外，基于上述结果，求出各原子比例的比(P_O1/P_O2、P_N1/P_N2、P_C1/P_C2以及P_C3/P_C2)。结果示于表3。

[表3]

《切削试验》

(切削评价(1)：断续加工试验、耐崩裂性的评价)

使用如上所制作的试样(试样1～15和试样101～104)的切削工具，根据以下切削条件，测定直至切削刃处产生崩裂时切削工具与被切削材料的接触次数。其结果示于表4。接触次数越多，可以评价为耐崩裂性越优异的切削工具。切削工具与被切削材料的接触次数通过以下步骤进行测定。从切削加工开始后每隔30秒停止切削加工，采用实体显微镜(倍率为100倍)观察切削工具的切削刃棱线部。反复进行相同的操作直至确认到切削刃棱线部的崩裂。由直至发生崩裂时切削加工所需的累计时间计算出与上述被切削材料的断续部的接触次数。

断续加工的试验条件

被切削材料：SCM415断续材料

切削速度：220m/min

进给速度：0.3mm/rev

切入：2mm

切削油：湿式

(切削评价(2)：连续加工试验、耐磨损性的评价)

使用如上所制作的试样(试样1～15和试样101～104)的切削工具，根据以下切削条件，测定在进行了20分钟切削之后的后刀面的平均磨损量。其结果示于表4。平均磨损量越小，可以评价为耐磨损性越优异的切削工具。

连续加工的试验条件

被切削材料：SCM435圆棒

切削速度：240m/min

进给速度：0.2mm/rev

切入：2mm

切削油：湿式

(切削评价(3)：连续加工试验、氧化铝层的耐剥离性的评价)

使用如上所制作的试样(试样1～15和试样101～104)的切削工具，根据以下切削条件，测定直至前刀面中的氧化铝层发生剥离时的切削时间。其结果示于表4。上述切削时间越长，可评价为氧化铝层的耐剥离性越优异的切削工具。按照以下步骤测定直至氧化铝层发生剥离时的切削时间。从切削加工开始后每隔30秒停止切削加工，使用实体显微镜(倍率为100倍)观察切削工具的切削刃棱线部附近处的前刀面。反复进行相同的操作直至发生氧化铝层的剥离，并将直至发生氧化铝层的剥离时切削加工所需的累计时间设为上述“直至氧化铝层发生剥离时的切削时间”。

连续加工的试验条件

被切削材料：S15C圆棒

切削速度：120m/min

进给速度：0.25mm/rev

切入：2mm

切削油：湿式

[表4]

“＊”表示氧化铝层的耐剥离性。

从表4的结果可知，试样1～15的切削工具在切削评价(1)中的接触次数获得了超过4800次的良好结果。另一方面，试样101～104的切削工具(比较例的切削工具)在切削评价(1)中的接触次数小于1300次。从以上结果可知，与比较例的切削工具相比，实施例的切削工具(P_C1/P_C2为1.03以上的切削工具)的耐崩裂性更优异。

此外，从表4的结果可知，试样1～5和9～13的切削工具在切削评价(2)中的后刀面的磨损量获得了0.2mm以下的良好结果。从该结果可知，在实施例的切削工具中，P_O1/P_O2为0.9以上且小于1的切削工具除了上述耐崩裂性之外，耐磨损性也优异。

此外，从表4的结果可知，试样1～3、6、7、9～12以及14的切削工具在切削评价(3)中切削时间获得了6分钟以上的良好结果。从该结果可知，在实施例的切削工具中，P_N1/P_N2为0.9以上且小于1的切削工具除了上述耐崩裂性之外，氧化铝层的耐剥离性也优异。

如上所述，对本发明的实施方式和实施例进行了说明，但是最初也预定的是将上述各实施方式和各实施例的构成进行适当地组合。

应当认为，本次所公开的实施方式和实施例在所有方面都是示例性的而非限制性的。本发明的范围是由权利要求书表示的而不是由上述实施方式和实施例表示，并且旨在包含与权利要求书等同的含义和范围内的所有改变。

符号说明

1前刀面、2后刀面、3切削刃棱线部、10基材、20碳氮化钛层、21中间层、22氧化铝层、23基底层、24表面层、30 CVD装置、31基材固定夹具、32反应容器、33调温装置、34气体导入口、35气体导入管、36喷出孔、40被覆层、45覆膜、50切削工具、A在中间层侧距离中间层与氧化铝层的界面1μm的位置、P_A包含位置A的假想平面、P_B中间层与氧化铝层的界面。

Claims

1.一种切削工具，包括基材和设置在所述基材上的被覆层，其中，

所述中间层由钛、碳、氧及氮组成的化合物构成，

所述中间层的厚度超过1μm，

2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，

所述P_C1为25原子％以上65原子％以下。

3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其中，

当将所述界面处的所述氮的原子比例设为P_N1原子％、并且将所述位置A处的所述氮的原子比例设为P_N2原子％时，P_N1相对于P_N2的比P_N1/P_N2为0.9以上且小于1。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削工具，其中，

当将所述界面处的所述氧的原子比例设为P_O1原子％、并且将所述位置A处的所述氧的原子比例设为P_O2原子％时，P_O1相对于P_O2的比P_O1/P_O2为0.9以上且小于1。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的切削工具，其中，

所述中间层的厚度超过1μm且为3μm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的切削工具，其中，

在所述基材与所述被覆层之间还设置有基底层。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的切削工具，其中，

在所述被覆层上还设置有表面层。