CN114951823B - 包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种具有优异的耐磨损性和耐缺损性且能够延长工具寿命的包覆切削工具。包覆切削工具包括基材和形成于基材表面的包覆层，其中，包覆层从基材侧朝向包覆层的表面侧依次包含下部层和上部层，下部层含有1层或2层以上的特定的Ti化合物层，上部层含有α型Al2O3层，下部层的平均厚度为2.0μm以上且15.0μm以下，上部层的平均厚度为3.5μm以上且15.0μm以下，在上部层中，Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％且为80％以下，且Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，在上部层中，α型Al2O3层的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上且8.9以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种包覆切削工具。
背景技术
众所周知：以往，通过化学蒸镀法在由超硬合金构成的基材的表面以3～20μm的总膜厚蒸镀形成包覆层的包覆切削工具被用于钢或铸铁等的切削加工。作为上述包覆层，已知的有，例如，由选自由Ti碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、碳氮氧化物以及氧化铝构成的群中的1种单层或2种以上的多层构成的包覆层。
例如，专利文献1中记载了一种表面包覆切削工具，其包括基材及形成在基材上的覆膜，其中，覆膜包含α型Al2O3层，α型Al2O3层包含多个α型Al2O3晶粒，且呈现(001)取向，晶粒的晶界包括CSL晶界和一般晶界，在CSL晶界中，∑3型晶界的长度超过∑3－29型晶界长度的80％，并且在∑3－29型晶界长度与一般晶界长度之和即总晶界总长度的10％以上且50％以下。
例如，专利文献2中记载了一种切削工具刀片，其由超硬合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方晶氮化硼(CBN)等超硬质物质的基材、以及总厚度为5～40μm的包覆层构成，其中，包覆层由1层以上的耐热层构成，该耐热层的至少1层为具有1～20μm厚度的α－Al2O3层，其中，至少1个α－Al2O3层中的∑3型晶界的长度超过∑3、∑7、∑11、∑17、∑19、∑21、∑23以及∑29型晶界(＝∑3－29型晶界)的晶界总长度的80％，晶界特征分布通过EBSD来测定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2017－009928号公报
专利文献2：日本特表2014－526391号公报
技术课题
近年来的切削加工中，高速化、高进给化以及深切化变得更加显著，与以往相比，要求提高包覆切削工具的耐磨损性和耐缺损性。特别是，诸如钢的高速切削等切削加工不断增加，其中负荷作用于包覆切削工具，切削温度升高，在如此苛刻的切削条件下，传统的包覆切削工具由于包覆层的耐弧坑磨损能力不足，早期发生塑性变形。这导致难以延长工具寿命。而且，由于包覆层的崩裂而产生缺损，难以延长工具寿命。
另一方面，就专利文献1的形成有α型Al2O3层的包覆切削工具而言，在α型Al2O3层中，∑3晶界长度占CSL晶界与一般晶界之和即总晶界的总长度的50％以下，机械性能得到了一定的改善。但是，若∑3晶界长度的占比超过50％，则晶粒粗粒化，因此包覆切削工具的抗崩刃性不足，存在改善的余地。
另外，就专利文献2的形成有α型Al2O3层的包覆切削工具而言，在α型Al2O3层中，CSL晶界总长度中∑3型晶界长度的占比超过80％，但尚未研究提高CSL晶界与一般晶界之和即总晶界的总长度中∑3晶界长度的比例。因此，专利文献2的包覆切削工具的耐磨损性、耐塑性变形性及耐缺损性不足，存在改善的余地。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种包覆切削工具，具有优异的耐磨损性和耐缺损性，从而能够延长工具寿命。
发明内容
本发明人从上述观点出发，对延长包覆切削工具的工具寿命进行了反复研究。结果，发现：包覆切削工具的包覆层依次包括含有Ti化合物层的下部层和含有α型Al2O3的上部层，该上部层为满足特定要求的层，能够抑制含有α型Al2O3的上部层受损。另外，发现含有α型Al2O3的上部层的效果比以往更持久，能够提高耐磨损性，从而能够延长包覆切削工具的工具寿命，由此完成了本发明。
即，本发明的要旨如下。
[1]一种包覆切削工具，其包括基材和形成于该基材表面的包覆层，
所述包覆层从所述基材侧朝向所述包覆层的表面侧依次包含下部层和上部层，
所述下部层含有1层或2层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成，
所述上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，
所述下部层的平均厚度为2.0μm以上且15.0μm以下，
所述上部层的平均厚度为3.5μm以上且15.0μm以下，
在所述上部层中，∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％且为80％以下，且∑3晶界长度相对于所述CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，
在所述上部层中，由下述式(1)表示的α型Al2O3层的(0、0、12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上且8.9以下。
【数式1】
(式(1)中，I(h，k，l)是对α型Al2O3层的(h，k，l)面进行测定的X射线衍射产生的峰值强度，Io(h，k，l)是根据JCPDS卡号10-0173的α型Al2O3的(h，k，l)面的标准衍射强度，(h，k，l)是指(0，1，2)、(1，0，4)、(1，1，3)、(0，2，4)、(1，1，6)、(2，1，4)、(3，0，0)、(0，2，10)以及(0，0，12)这9个晶面。)
[2]
根据[1]所述的包覆切削工具，其中，∑3晶界长度相对于所述CSL晶界总长度100％的比例为80％以上且99％以下。
[3]
根据[1]或[2]所述的包覆切削工具，其中，在所述上部层中，从所述包覆层的表面侧朝向所述下部层侧0.5μm的位置处的平均粒径ds与从所述下部层侧朝向所述包覆层的表面侧2.5μm的位置处的平均粒径du之比[ds/du]为1.0以上且1.7以下。
[4]
根据[3]所述的包覆切削工具，其中，所述du为0.5μm以上且1.4μm以下，所述ds为0.6μm以上且1.5μm以下。
[5]
根据[1]～[4]中的任一项所述的包覆切削工具，其中，所述包覆层在所述上部层的与所述基材侧相反的一侧上包含外层，
所述外层含有Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成，
所述外层的平均厚度为0.3μm以上且4.0μm以下。
[6]
根据[1]～[5]中的任一项所述的包覆切削工具，其中，所述包覆层整体的平均厚度为5.5μm以上且25.0μm以下。
[7]
根据[1]～[6]中的任一项所述的包覆切削工具，其中，包含在所述下部层中的Ti化合物层是选自由TiN层、TiC层、TiCN层、TiCO层和TiCNO层构成的群的至少一种，所述TiN层由TiN构成，所述TiC层由TiC构成，所述TiCN层由TiCN构成，所述TiCO层由TiCO构成，所述TiCNO层由TiCNO构成。
[8]
根据[1]～[7]中的任一项所述的包覆切削工具，其中，所述基材为超硬合金、金属陶瓷、陶瓷或立方晶氮化硼烧结体中的任一种。
根据本发明，能够提供一种包覆切削工具，具有优异的耐磨损性和耐缺损性，能够延长工具寿命。
附图说明
图1是示出本发明的包覆切削工具的一例的示意图。
主要元件符号说明
基材 1
下部层 2
上部层 3
外层 4
包覆层 5
包覆切削工具 6
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，但本发明并不限于下述本实施方式。本发明在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变形。另外，附图中的上、下、左、右等位置关系均基于附图所示的位置关系，除非另有说明。此外，附图的尺寸比例并不限于图示的比例。
本实施方式的包覆切削工具包括基材和形成于该基材表面的包覆层，其中，包覆层从基材侧朝向包覆层的表面侧依次包含下部层和上部层，下部层含有1层或2层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成，上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，下部层的平均厚度为2.0μm以上且15.0μm以下，上部层的平均厚度为3.5μm以上且15.0μm以下，在上部层中，Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％且为80％以下，且Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，在上部层中，由下述式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上且8.9以下。
【数式2】
(式(1)中，I(h，k，l)是对α型Al2O3层的(h，k，l)面进行测定的X射线衍射产生的峰值强度，I0(h，k，l)是根据JCPDS卡号10-0173的α型Al2O3的(h，k，l)面的标准衍射强度，(h，k，l)是指(0，1，2)、(1，0，4)、(1，1，3)、(0，2，4)、(1，1，6)、(2，1，4)、(3，0，0)、(0，2，10)以及(0，0，12)这9个晶面。)
本实施方式的包覆切削工具具有上述结构，能够提高耐磨损性和耐缺损性，其结果，能够延长工具寿命。提高本实施方式的包覆切削工具的耐磨损性和耐缺损性的因素考虑如下。但是，本发明不受以下因素的任何限定。即，首先，本实施方式的包覆切削工具含有1层或2层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成。本实施方式的包覆切削工具若在基材和上部层之间具有这种下部层，就可以提高耐磨损性和密接性。另外，在本实施方式的包覆切削工具中，下部层的平均厚度为2.0μm以上，从而提高耐磨损性。另一方面，在本实施方式的包覆切削工具中，下部层的平均厚度为15.0μm以下，抑制包覆层的剥离，因此提高耐缺损性。
另外，在本实施方式的包覆切削工具中，由于上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层而变硬，从而提高耐磨损性。另外，在本实施方式的包覆切削工具中，若上部层的平均厚度为3.5μm以上，则包覆切削工具的前刀面的耐弧坑磨损性进一步提高，若上部层的平均厚度为15.0μm以下，则进一步抑制包覆层的剥离，因此进一步提高包覆切削工具的耐缺损性。
本实施方式的包覆切削工具，在上部层中，若Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％，则具有较低晶界能的晶界所占的比例变大，因此提高上部层的机械特性。另一方面，在上部层中，若∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例为80％以下，则可以抑制晶粒的粗粒化，因此抗崩刃性变得优异。另外，本实施方式的包覆切削工具，在上部层中，若Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，则表示晶界能较低的晶界所占比例较大。在本实施方式的包覆切削工具中，若晶界能低，则提高机械特性，因此提高耐弧坑磨损性。
在本实施方式的包覆切削工具中，上部层中由上式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上，因此(0，0，12)面上的峰值强度I(0，0，12)的比率变高。由此可以抑制弧坑磨损，其结果，耐磨损性变得优异。另一方面，在本实施方式的包覆切削工具中，在上部层中，若由上式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.9以下，则可以很容易地制造。
而且，认为：通过组合这些结构，提高了本实施方式的包覆切削工具的耐磨损性及耐缺损性，其结果，能够延长工具寿命。
图1是示出本实施方式的包覆切削工具的一例的剖视图。包覆切削工具6包括基材1和形成于基材1的表面的包覆层5，包覆层5是下部层2、上部层3以及外层4按该顺序向上(从基材侧到包覆层的表面侧)层叠而成。
本实施方式的包覆切削工具包括基材和形成于该基材表面的包覆层。包覆切削工具的种类具体可以列举用于铣削或车削的切削刃更换式切削刀片、钻头以及立铣刀。
本实施方式中所用的基材只要是能够用作包覆切削工具的基材即可，没有特别限定。作为这种基材，可以列举例如超硬合金、金属陶瓷、陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、金刚石烧结体以及高速钢。其中，基材为超硬合金、金属陶瓷、陶瓷或立方晶氮化硼烧结体中的任一种时，耐磨损性和耐缺损性更优异，从同样的观点来看，基材更优选超硬合金。
此外，基材也可以是其表面被改性的基材。例如，当基材由超硬合金构成时，也可以在其表面形成脱β层。另外，当基材由金属陶瓷构成时，也可以在其表面形成硬化层。这样，即使基材的表面被改性，也能达成本发明的作用效果。
本实施方式中所用的包覆层的平均厚度优选5.5μm以上25.0μm以下，由此提高耐磨损性。在本实施方式的包覆切削工具中，若包覆层整体的平均厚度为5.5μm以上，则提高耐磨损性，若包覆层整体的平均厚度为25.0μm以下，则抑制包覆层的剥离，因此提高耐缺损性。从同样的观点来看，本实施方式中所用的包覆层的平均厚度更优选8.0μm以上且22.0μm以下，进一步优选10.5μm以上且21.3μm以下。
此外，对于本实施方式的包覆切削工具的各层以及包覆层整体的平均厚度，各层的厚度或包覆层整体的厚度是从各层或包覆层整体的3处以上的截面来测定的，并计算出算术平均值。
[下部层]
本实施方式中使用的下部层含有1层或2层以上的Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选由自C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成。本实施方式的包覆切削工具若在基材和上部层之间具有这种下部层，则提高耐磨损性和密接性。
下部层中包含的Ti化合物层，没有特别限定，可以列举例如由TiN构成的TiN层、由TiC构成的TiC层、由TiCN构成的TiCN层、由TiCO构成的TiCO层、由TiCNO构成的TiCNO层、由TiB2构成的TiB2层。
下部层可以由1层构成，也可以由多层(例如，2层或3层)构成，但优选由多层构成，更优选由2层或3层构成，进一步优选由3层构成。从进一步提高耐磨损性和密接性的观点来看，下部层优选包含选自由TiN层、TiC层、TiCN层、TiCO层以及TiCNO层构成的群的至少一种层。另外，本实施方式的包覆切削工具，若下部层的至少1层为TiCN层，则耐磨损性有进一步提高的趋势。
另外，在本实施方式的包覆切削工具中，若下部层的至少1层为TiN层，在基材的表面形成该TiN层，则密接性有进一步提高的趋势。下部层由2层构成时，也可以在基材的表面形成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。下部层由3层构成时，也可以在基材的表面形成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TiCO层或TiCNO层作为第3层。下部层由3层构成时，若下部层的基材侧(第1层)具有TiN层或TiC层，则基材与下部层的密接性有进一步提高的趋势，因此优选，另外，若下部层的上部层侧(第3层)具有TiCO层或TiCNO层，则下部层与上部层的密接性有进一步提高的趋势，因此优选。其中，下部层可以在基材的表面形成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。
本实施方式中所用的下部层的平均厚度为2.0μm以上且15.0μm以下。在本实施方式的包覆切削工具中，下部层的平均厚度为2.0μm以上，因此提高耐磨损性。另一方面，在本实施方式的包覆切削工具中，下部层的平均厚度为15.0μm以下，抑制包覆层的剥离，因此提高耐缺损性。从同样的观点来看，下部层的平均厚度优选2.5μm以上且14.5μm以下，更优选3.2μm以上且14.0μm以下。
从进一步提高耐磨损性和耐缺损性的观点来看，下部层中的TiC层或TiN层的平均厚度优选0.05μm以上且1.0μm以下。从同样的观点来看，TiC层或TiN层的平均厚度更优选0.1μm以上0.5μm以下，进一步优选0.2μm以上且0.4μm以下。
从进一步提高耐磨损性和耐缺损性的观点来看，下部层中的TiCN层的平均厚度优选2.0μm以上且15.0μm以下。从同样的观点来看，TiCN层的平均厚度更优选2.2μm以上且14.0μm以下，进一步优选2.5μm以上且13.0μm以下。
从进一步提高耐磨损性和耐缺损性的观点来看，下部层中的TiCO层或TiCNO层的平均厚度优选0.1μm以上且1.0μm以下。从同样的观点来看，TiCN层的平均厚度更优选0.2μm以上且0.8μm以下，进一步优选0.4μm以上且0.7μm以下。
Ti化合物层是由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少一种元素的Ti化合物构成的层，但只要起到下部层的作用效果，也可以含有微量的上述元素以外的成分。
[上部层]
本实施方式中所用的上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层。在本实施方式的包覆切削工具中，上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层而变硬，因此提高了耐磨损性。
另外，在本实施方式的包覆切削工具中，上部层的平均厚度3.5μm以上且15.0μm以下。若上部层的平均厚度为3.5μm以上，则包覆切削工具的前刀面的耐弧坑磨损性进一步提高。若上部层的平均厚度为15.0μm以下，则进一步抑制包覆层的剥离，由此进一步提高包覆切削工具的耐缺损性。从同样的观点来看，上部层的平均厚度优选3.5μm以上且14.5μm以下，更优选3.6μm以上且14.0μm以下。
另外，本实施方式的包覆切削工具的上部层中，Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％且为80％以下。在上部层中，若Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％，则具有较低晶界能的晶界所占的比例变大，因此提高上部层的机械特性。另一方面，在上部层中，若∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例为80％以下，则可以抑制晶粒的粗粒化，因此抗崩刃性变得优异。另外，在本实施方式中，所谓总晶界总长度是指CSL晶界的长度和除此以外的一般晶界的长度的总长度。从同样的观点来看，在上部层中，∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例优选52％以上且79％以下，更优选54％以上且78％以下。
另外，在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，优选70％以上且99％以下。在上部层中，若Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，则表示晶界能较低的晶界的比例较大。在本实施方式的包覆切削工具中，若晶界能较低，则提高机械特性，因此提高耐弧坑磨损性。另一方面，若∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例为99％以下，则有容易制造的趋势。从同样的观点来看，在上部层中，∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例更优选75％以上且99％以下，进一步优选80％以上且99％以下，特别优选80％以上且97％以下。
本实施方式中所用的上部层具有晶界能较高的晶界和晶界能较低的晶界。通常，由于原子的排列不规则无序且随机排列，所以晶界间隙多，具有较高的晶界能。另一方面，在晶界中也有原子的排列规则且间隙少的晶界，这种晶界具有较低的晶界能。作为这种具有较低晶界能的晶界的代表例，可以举出对应晶格(CoincidenceSite Lattice)晶界(以下称为“CSL晶界”，也称为“CSL粒界”)。晶界对重要的烧结工艺(如致密化、蠕变以及扩散)以及电学特性、光学特性和机械特性同样具有显著影响。晶界的重要性取决于几个因素，例如，物质中的晶界密度、界面的化学成分、晶体结构、即晶界面方位以及晶粒方位差。CSL晶界发挥特别的作用。作为表示CSL晶界的分布程度的指标，已知∑值，∑值定义为在晶界中相接触的2个晶粒的晶格点密度与这2个晶格重叠时匹配的晶格点密度的比率。对于简单的结构，普遍认为具有低∑值的晶界往往具有低界面能和特殊性能。因此，可以认为控制CSL晶界的比例以及晶粒方位差的分布对于上部层的特性及其改善是很重要的。
近年来，作为背散射电子衍射(以下也称为“EBSD”)所公知的基于SEM的技术被用于物质中晶界的研究。EBSD基于由背散射电子产生的菊池衍射图形的自动分析。
对于作为对象的物质的各晶粒，在创建对应的衍射图形的索引后确定结晶学方位。将EBSD与市售的软件一起使用，可以比较容易地确定组织分析和晶界特征分布(GrainBoundary Character Distribution：GBCD)。通过EBSD测定并分析界面，可以明确具有较大界面的样品群中晶界的方位差。通常，方位差的分布与物质处理及/或物质特性相关。可以根据欧拉角、角/轴对(angle/axis pair)、或罗德里格斯矢量等常规的方位参数得到晶界的方位差。
在本实施方式中，上部层的CSL晶界除∑3晶界以外还指∑7晶界、∑11晶界、∑13晶界、∑17晶界、∑19晶界、∑21晶界、∑23晶界以及∑29晶界。认为∑3晶界在上部层的CSL晶界中具有最低界能。其中，∑3晶界的长度是指用具备EBSD的SEM观察到的视野(特定区域)中∑3晶界的总长度。与其它CSL晶界相比，该∑3晶界具有更高的相应晶格点密度和较低的晶界能。换言之，∑3晶界是具有较多匹配晶格点的CSL晶界，以∑3晶界为晶界的2个晶粒显示出接近单晶或双晶的举动，并且显示出晶粒变大的趋势。在本实施方式的包覆切削工具通过提高上部层中Σ3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例来提高耐弧坑磨损性。
其中，所谓总晶界是指CSL晶界以外的晶界和CSL晶界的总和。下面将CSL晶界以外的晶界称为“一般晶界”。一般晶界是用具备EBSD的SEM观察时的上部层的晶粒的总晶界中除去CSL晶界后的剩余晶界。因此，“总晶界长度”可以表示为“CSL晶界的长度与一般晶界的长度之和”。
在本实施方式中，上部层中∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例及∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例可以计算如下。
在包覆切削工具中，通过在平行于基材表面的方向上露出上部层的截面来得到观察面。暴露上部层截面的方法，例如，可以列举切断及研磨。其中，从使上部层的观察面更平滑的观点考虑，优选研磨。特别是，从更平滑的这一观点考虑，观察面特别优选镜面。获得上部层的镜面观察面的方法，没有特别限定，例如，可以列举用金刚石膏或胶体二氧化硅进行研磨的方法或离子研磨等。
然后，通过具备EBSD的SEM观察上述观察面。作为观察区域，优选观察平坦面(后刀面等)。
SEM使用具备EBSD(美国TSL(TexSEMLaboratories)公司制造)的SU6600(由日立高新技术公司(Hitachi High-Technologies Corporation)制造)。
观察面的法线相对于入射光束倾斜70°，通过以15kV的加速电压和1.0nA的照射电流照射电子束来进行分析。对于观察面上相当于上部层的50μm×30μm的表面区域的1000×600个点，以0.05μm/步的步长进行数据收集。对5个视野的表面区域(上部层的50μm×30μm)进行该数据收集，并计算出其平均值。
使用市售的软件进行数据处理。可以通过计数对应任意∑值的CSL晶界并将每个晶界的比例表示为相对于总晶界的比率来确认。由此可以求出∑3晶界的长度、CSL晶界的长度以及总晶界的总长度，并计算出∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例、以及∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例。
在本实施方式的包覆切削工具中，上部层中由下式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上且8.9以下。
【数式3】
(式(1)中，I(h，k，l)是对α型Al2O3层的(h，k，l)面进行测定的X射线衍射产生的峰值强度，Io(h，k，l)根据JCPDS卡号10-0173的α型Al2O3的(h，k，l)面的标准衍射强度，(h，k，l)是指(0，1，2)、(1，0，4)、(1，1，3)、(0，2，4)、(1，1，6)、(2，1，4)、(3，0，0)、(0，2，10)以及(0，0，12)这9个晶面。)
在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，由上式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上，因此(0，0，12)面的峰值强度I(0，0，12)的比率变高。由此可以抑制耐弧坑磨损，其结果，耐磨损性变得优异。另一方面，在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，若由上式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.9以下，则可以容易地制造。从同样的观点来看，由上述式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)优选8.1以上且8.8以下，更优选8.2以上且8.8以下。另外，在本实施方式中，可以通过后述的实施例中所记载的方法求出α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)。
在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，从包覆层的表面侧朝向下部层侧0.5μm位置处的平均粒径ds与从下部层侧朝向包覆层的表面侧2.5μm的位置处的平均粒径du之比[ds/du]优选1.0以上且1.7以下。
在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，若比[ds/du]为1.0以上，则容易制造，因此优选，若为1.7以下，则抑制α型Al2O3层的晶粒的粗大化，因此抗崩刃性有提高趋势。从同样的观点来看，在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，比[ds/du]更优选1.2以上且1.7以下，进一步优选1.3以上且1.7以下。
在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，du优选0.5μm以上且1.4μm以下。在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，若du为0.5μm以上，则在上部层的下部层侧，柱状晶所占的比例变高，因此抗崩刃性有提高趋势，若du为1.4μm以下，则抑制表面侧的α型Al2O3层的晶粒的粗大化，因此抗崩刃性有提高趋势。从同样的观点来看，在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，du更优选0.5μm以上且1.2μm以下，进一步优选0.6μm以上且1.0μm以下。
在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，ds优选0.6μm以上且1.5μm以下。在本实施方式的包覆切削工具的上部层中，若ds优选为0.6μm以上，则抑制α型Al2O3层的晶粒的粒子脱落，因此抗崩刃性有提高趋势，若ds为1.5μm以下，则抑制α型Al2O3层的晶粒的粗大化，因此抗崩刃性有提高趋势，而且表面粗糙度趋于减小，因此，切削阻力变小，抗崩刃性有提高趋势。从同样的观点来看，在本施方式的包覆切削工具的上部层中，ds更优选0.7μm以上且1.5μm以下，进一步优选0.9μm以上且1.5μm以下。
另外，在本实施方式中，ds和du可以通过以下方法来测定。使用具备EBSD的FE－SEM观察与基材表面垂直的方向上的截面。当相邻的测定点之间存在5度以上的方位差时，将此处定义为晶界。将由晶界包围的区域定义为一个晶粒。并且，在已求出ds和du的α型Al2O3层的特定厚度的位置划一条平行与基材方向的直线。将直线长度除以晶粒数所得的值作为平均粒径ds和du。此时，直线长度优选20μm以上。另外，在所观察的视野中，当直线长度比20μm短时，观察多个视野，使直线长度合计为20μm以上即可。具体而言，可以通过后述的实施例中描述的方法进行测定。
另外，在本实施方式中，上部层只要含有α型氧化铝(α型Al2O3)即可，只要发挥本发明的作用效果，可以含有也可以不含有α型氧化铝(α型Al2O3)以外的成分。
[外层]
在本实施方式的包覆切削工具中，包覆层优选在上部层的与基材侧相反的一侧上包含外层。
本实施方式中所用的外层优选包含Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成。作为Ti化合物层，例如，可以列举由TiC构成的TiC层、由TiN构成的TiN层、由TiCN构成的TiCN层、及由TiB2构成的TiB2层。
其中，本实施方式中所用的外层优选具有TiN层或TiCN层等Ti化合物层。在本实施方式的包覆切削工具中，由于外层具有TiN层或TiCN层等Ti化合物层，因此有耐磨损性提高的趋势、使用的角部容易识别的趋势。从同样的观点来看，本实施方式中使用的外层更优选TiN层。
本实施方式中所用的外层的平均厚度优选0.3μm以上且4.0μm以下。在本实施方式的包覆切削工具中，若外层的平均厚度为0.3μm以上，则可以获得具有上层所带来的效果，另外，若外层的平均厚度为4.0μm以下，则提高耐缺损性，主要因为抑制了包覆层的剥离。从同样的观点来看，在本实施方式的包覆切削工具中，若外层的平均厚度更优选0.3μm以上且3.5μm以下，进一步优选0.3μm以上且3.0μm以下。
另外，在本实施方式中，只要发挥本发明的作用效果，外层可以含有也可以不含有TiN和TiCN等Ti化合物以外的成分。
在本实施方式的包覆切削工具中，构成包覆层的各层可以通过化学蒸镀法形成，也可以通过物理蒸镀法形成。作为形成各层的方法的具体实例，例如可以列举以下方法。但是，形成各层的方法不限于此。
(化学蒸镀法)
(下部层形成工序)
作为下部层，可以如下形成Ti化合物层，该Ti化合物层例如由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少一种元素的Ti化合物构成。
例如，当Ti化合物层为Ti氮化物层(以下也称为TiN层)时，原料组成为TiCl4：5.0～10.0mol％、N2：20～60mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为850～950℃、压力为300～400hPa的化学蒸镀法来形成。
当Ti化合物层为Ti碳化物层(以下也称为TiC层)时，原料组成为TiCl4：1.5～3.5mol％、CH4：3.5～5.5mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为950～1050℃、压力为70～80hPa的化学蒸镀法来形成。
当Ti化合物层为Ti碳氮化物层(以下也称为TiCN层)时，原料组成为TiCl4：4.0～8.0mol％、CH3CN：0.5～1.5mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为800～900℃、压力为60～80hPa的化学蒸镀法来形成。
当Ti化合物层为Ti碳氮氧化物层(以下也称为TiCNO层)时，原料组成为TiCl4：1.0～6.0mol％、CO：0.05～2.0mol％、N2：20～45mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为950～1020℃、压力为70～120hPa的化学蒸镀法来形成。在下部层形成工序中，当形成TiCNO层作为第3层时，通过减少原料气体组成中的CO的比例，能够形成平滑界面，结果，在接下来形成的上部层中，能够增大式(1)所示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)，能够使该组织系数在上述特定的范围内。为了使该组织系数TC(0，0，12)变大，使其在上述特定的范围内，在原料气体组成中，CO的比例优选2.0mol％以下，更优选1.8mol％，特别优选1.7mol％以下。
当Ti化合物层为Ti碳氧化物层(以下也称为TiCO层)时，原料组成为TiCl4：1.0～6.0mol％、CO：0.05～2.0mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为950～1020℃、压力为70～120hPa的化学蒸镀法来形成。
(上部层形成工序)
作为上部层，可以如下形成例如由α型Al203构成的α型Al2O3层(以下，也简称为Al2O3层)。
首先，在基材表面形成由一层以上的Ti化合物层构成的下部层。接着，对下部层中距基材最远的层的表面进行氧化。然后，在远离基材的层的表面上形成含有α型Al2O3层的上部层。
更具体地，下部层中距基材最远的层的表面的氧化是在气体组成为CO2：0.2～1.0mol％、H2：剩余部分、温度为950～1050℃、压力为50～80hPa的条件下进行(氧化工序)。此时的氧化处理时间优选1～10分钟。
然后，在距基材最远的层的表面上形成α型Al2O3层的核(核形成工序)。α型Al2O3层的核形成工序在原料气体组成为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、温度为950～980℃、压力为60～80hPa的条件下进行。核形成工序的时间优选3～5分钟。另外，将原料气体组成导入反应容器之前的余热部的温度优选230～260℃的范围。通过使余热部的温度在上述范围内，能够使上部层中∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例在上述特定的范围内。具体地，余热部的温度越高，∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例趋向越高。
在形成α型Al2O3层的核后，进行退火工序。退火工序在原料气体组成为H2：100mol、温度为950～1020℃、压力为70～200hPa的条件下进行。退火工序的时间优选45～70分钟。在核形成工序后，通过在所述时间范围内进行退火工序，能够使上部层中∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例在上述特定的范围内。具体地，退火工序的时间越长，上部层中∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例趋向越高。另外，若不进行退火工序，则上部层中Σ3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例趋向极小。
然后，通过原料气体组成为AlCl3：1.0～5.0mol％、CO2：2.5～4.0mol％、HCl：2.0～3.0mol％、H2S：0.15～0.25mol％、H2：剩余部分、温度为950～1000℃、压力为60～80hPa的化学蒸镀法来形成α型Al2O3层(成膜工序)。在成膜工序中，优选以0.5-2.0℃/分钟的速度逐渐冷却。在成膜工序中，通过以上述速度逐渐冷却，能够使上部层中平均粒径ds在上述特定的范围内，并且能够使平均粒径的比[ds/du]在上述特定的范围内。在成膜工序中，通过减少原料气体组成中的CO2的比例，能够抑制新的核形成，结果，能够增大上部层中式(1)所示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)，并且使其在上述特定的范围内。
另外，为了使上部层中∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例在上述特定范围内，只要在上部层形成工序中控制压力、或控制上部层的平均厚度、或控制原料组成中的TiCl4的比例即可。更具体地，通过降低上部层形成工序中的压力、或增大原料组成中的TiCl4的比例，可以增大上部层中∑3晶界长度的比例。另外，通过增大上部层的平均厚度，可以减小上部层中∑3晶界长度的比例。
(外层形成工序)
此外，也可以在上部层的表面形成由Ti氮化物层(以下也称为TiCN层)或Ti碳氮化物层(以下也称为TiCN层)构成的外层。
作为外层的TiN层，原料组成为TiCl4：7.0～8.0mol％、N2：30～50mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为950～1050℃、压力为300～400hPa的化学蒸镀法来形成。
作为外层的TiCN层，原料组成为TiCl4：7.0～9.0mol％、CH3CN：0.7～2.0mol％、CH4：1.0～2.0mol％、N2：4.0～6.0mol％、H2：剩余部分，可以通过温度为950～1050℃、压力为60～80hPa的化学蒸镀法来形成。
可以通过使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、或电场放射扫描电子显微镜(FE－SEM)等观察包覆切削工具的截面组织来测定本实施方式的包覆切削工具的包覆层中的各层的厚度。另外，在本实施方式的包覆切削工具中，各层的平均厚度可以通过如下方式求出：在从切削刃棱线部到包覆切削工具的前刀面中心50μm的位置附近，测定3处以上的各层的厚度，作为其算术平均值来获取。另外，可以从包覆切削工具的截面组织，使用能量色散型X射线光谱仪(EDS)、波长色散型X-射线光谱仪(WDS)等来测定本实施方式的包覆切削工具的包覆层中各层的组成。
本实施方式的包覆切削工具具有优异的耐缺损性和耐磨损性，因此跟以往相比能够延长工具寿命。然而，延长刀具寿命的因素并不限于以上因素。
【实施例】
下面通过实施例更详细地描述本发明，但本发明不限于这些实施例。
作为基材，准备组成为89.2WC-8.8Co-2.0NbC(以上质量％)且加工成CNMG120408刀片形状的超硬合金。用SiC刷对该基材的切削刃棱线部实施圆珩磨后，清洗基材表面。
[发明品1～14和比较品1～11]
清洗基材表面后，通过化学蒸镀法形成包覆层。首先，将基材装入外热式化学蒸镀装置中，在表1和表3所示的原料气体组成、温度和压力条件下，在基材的表面上按照第一层、第二层和第三层的顺序形成具有表2所示的组成的下部层，使其具有表2所示的平均厚度。接着，在气体组成为CO2：0.3mol％、H2：99.7mol％、温度为1000℃、压力为70hPa的条件下，对下部层表面进行2分钟的氧化处理。然后，在表4所示的条件下，在下部层的表面上形成α型Al2O3层的核。另外，此时，将原料气体组成导入反应容器前的余热部的温度如表4所示。在形成α型Al2O3层的核后，在表5所示的条件下进行退火工序。接着，在表6所示的原料气体组成、温度以及压力条件下，在下部层的第3层表面上形成具有表2所示的组成的上部层，使其具有表2所示的平均厚度。最后，在表1所示的原料气体组成、温度以及压力的条件下，在上部层的表面形成具有表2所示的组成的外层，使其具有表2所示的平均厚度。这样，得到了发明品1～14和比较品1～11的包覆切削工具。
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
[各层的平均厚度]
按照如下所述求取所得试样的各层的平均厚度。即，使用FE-SEM测定包覆切削工具的切削刃棱线部到前刀面中心50μm的位置附近的截面上的3处的厚度，并求出其算术平均值作为平均厚度。测定结果如表2所示。
[各层的组成]
使用EDS在包覆切削工具的切削刃棱线部到前刀面中心50μm的位置附近的截面中测定所得试样的各层的组成，测定结果如表2所示。
[CSL晶界的长度及Σ3晶界的长度]
按照如下所述测定所得试样的上部层的CSL晶界的长度和∑3晶界的长度。首先，在包覆切削工具中，进行研磨直至在与基材表面平行的方向上露出上部层的截面为止，从而得到观察面。另外，使用胶体二氧化硅对所得观察面进行研磨，得到镜面观察面。
然后，通过具备EBSD的SEM观察上述观察面。作为该观察区域，观察了后刀面。
SEM使用具备EBSD(美国TSL(TexSEM Laboratories)公司制造)的SU6600(由日立高新技术公司制造)。
观察面的法线相对于入射光束倾斜70°，通过以15kV的加速电压和1.0nA的照射电流照射电子束来进行分析。对于观察面上相当于上部层的50μm×30μm的表面区域的1000×600个点，以0.05μm/步的步长进行数据收集。对5个视野的表面区域(上部层的50μm×30μm)进行该数据收集，并计算出其平均值。
使用市售的软件进行数据处理。可以通过计数对应任意∑值的CSL晶界并将每个晶界的比例表示为相对于总晶界的比率来确认。由此可以求出∑3晶界的长度、CSL晶界的长度以及总晶界的总长度，并计算出∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例、以及∑3晶界长度相对于CSL晶界总长度100％的比例。结果如表7所示。
[α型Al2O3层(0，0，12)面上的组织系数TC(0，0，12)]
对所得试样，在输出：50kV、250mA、入射侧太阳能狭缝：5°、发散纵向狭缝：2/3°、发散纵向限制狭缝：5mm、散射狭缝：2/3°、受光侧太阳能狭缝：5°、受光侧狭缝：0.3mm、BENT单色仪、受光单色狭缝：0.8mm、采样宽度：0.01°、扫描速度：4℃/分钟、2θ测定范围：20°～155°的条件下，进行使用Cu-Kα射线的2θ/θ聚光光学系统的X射线衍射测定。装置使用理学株式会社制造的X射线衍射装置(型号“RINT TTRIII”)。根据X射线衍射图求出α型Al2O3层的各晶面的峰值强度。根据所得各晶面的峰值强度，求出α型Al2O3层(0，0，12)面上的组织系数TC(0，0，12)。结果如表7所示。
[平均粒径ds和du]
按照如下所述对所得试样的平均粒径ds和du进行测定。使用具备EBSD的FE－SEM观察与基材表面垂直的方向上的截面。当相邻的测定点之间存在5度以上的方位差时，将此处定义为晶界。将由晶界包围的区域定义为一个晶粒。并且，在已求出ds和du的α型Al2O3层的特定厚度的位置划一条平行与基材方向的直线。将直线长度除以晶粒数所得的值作为平均粒径ds和du。此时，直线长度为30μm。结果如表7所示。
【表7】
使用所得发明品1～14和比较品1～11，在下述条件下进行切削试验1和切削试验2。切削试验1和切削试验2的结果如表8所示。
[切削试验1]
刀片：CNMG120408
基材：89.2WC-8.8Co-2.0NbC(以上质量％)
被切削材料：S45C的圆棒(直径150mm×长度400mm)
切削速度：300m/分
进给：0.50mm/rev
深切深度：2.0mm
冷却剂：使用
评价项目：将试样缺损或最大后刀面磨损宽度达到0.3mm或塑性变形量达到0.3mm时视为已到了工具寿命，测定了到工具寿命为止的加工时间。
[切削试验2]
刀片：CNMG120408
基材：89.2WC-8.8Co-2.0NbC(以上质量％)
被切削材料：在外周具有4个槽的SCM415圆棒(直径150mm×长度400mm)、切削速度：250m/分
进给：0.30mm/rev
深切深度：1.0mm、
冷却剂：使用、
评价项目：将试样达到崩刃(宽度0.2mm以上)或缺损时视为已到了工具寿命，测定了到工具寿命为止的加工时间。
【表8】
根据表8所示的结果，任一个发明品在切削试验1中的到工具寿命为止的加工时间都是20分钟以上，且在切削试验2中的到工具寿命为止的加工时间都是15分钟以上，而比较品在切削试验1中的到工具寿命为止的加工时间小于20分钟和/或在切削试验2中的到工具寿命为止的加工时间小于15分钟。由此可见，总体上，与比较品相比，发明品的耐磨损性和耐缺损性更加优异。
由以上结果可知，发明品具有优异的耐磨损性和耐缺损性，因此工具寿命较长。
产业上的可利用性
本发明的包覆切削工具由于具有优异的耐磨损性及耐缺损性，与以往相比能够延长工具寿命，从这一观点来看，产业上的可利用性高。
Claims (7)
1.一种包覆切削工具，其包括基材和形成于该基材表面的包覆层，
所述包覆层从所述基材侧朝向所述包覆层的表面侧依次包含下部层和上部层，
所述下部层含有1层或2层以上的Ti化合物层，所述Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成，
所述上部层含有由α型Al2O3构成的α型Al2O3层，
所述下部层的平均厚度为2.0μm以上且15.0μm以下，
所述上部层的平均厚度为3.5μm以上且15.0μm以下，
在所述上部层中，∑3晶界长度相对于总晶界总长度100％的比例超过50％且为80％以下，且∑3晶界长度相对于所述CSL晶界总长度100％的比例为70％以上，
在所述上部层中，由下述式(1)表示的α型Al2O3层的(0，0，12)面的组织系数TC(0，0，12)为8.0以上且8.9以下，
【数式1】
式(1)中，I(h，k，l)是对α型Al2O3层的(h，k，l)面进行测定的X射线衍射产生的峰值强度，Io(h，k，l)是根据JCPDS卡号10-0173的α型Al2O3的(h，k，l)面的标准衍射强度，(h，k，l)是指(0，1，2)、(1，0，4)、(1，1，3)、(0，2，4)、(1，1，6)、(2，1，4)、(3，0，0)、(0，2，10)以及(0，0，12)这9个晶面；
其中，在所述上部层中，从所述包覆层的表面侧朝向所述下部层侧0.5μm的位置处的平均粒径ds与从所述下部层侧朝向所述包覆层的表面侧2.5μm的位置处的平均粒径du之比[ds/du]为1.0以上且1.7以下。
2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，∑3晶界长度相对于所述CSL晶界总长度100％的比例为80％以上且99％以下。
3.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，所述du为0.5μm以上且1.4μm以下，所述ds为0.6μm以上且1.5μm以下。
4.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，所述包覆层在所述上部层的与所述基材侧相反的一侧上包含外层，
所述外层含有Ti化合物层，所述Ti化合物层由Ti与选自由C、N以及O构成的群的至少1种元素的Ti化合物构成，
所述外层的平均厚度为0.3μm以上且4.0μm以下。
5.根据权利要求1或4所述的包覆切削工具，其中，所述包覆层整体的平均厚度为5.5μm以上且25.0μm以下。
6.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，包含在所述下部层中的Ti化合物层是选自由TiN层、TiC层、TiCN层、TiCO层和TiCNO层构成的群的至少一种，所述TiN层由TiN构成，所述TiC层由TiC构成，所述TiCN层由TiCN构成，所述TiCO层由TiCO构成，所述TiCNO层由TiCNO构成。
7.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，所述基材为超硬合金、金属陶瓷、陶瓷或立方晶氮化硼烧结体中的任一种。
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