CN117177828A - 切削工具 - Google Patents

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CN117177828A
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阿侬萨克·帕索斯
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Abstract

一种切削工具，其具备基材和配置在所述基材上的覆膜，其中，所述覆膜包含硬质颗粒层，所述硬质颗粒层由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成，在所述硬质颗粒中，所述硅的浓度沿着在所述硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化，所述硬质颗粒层的取向为(220)取向。

Description

切削工具
技术领域
本公开涉及切削工具。本申请主张基于2021年4月30日申请的日本专利申请的日本特愿2021-078024号的优先权。将该日本专利申请中记载的全部记载内容通过参照而援引于本说明书中。
背景技术
以往，为了提高切削工具的耐磨损性，开发了在基材上形成有TiSiCN膜的切削工具。
在专利文献1中公开了一种纳米复合覆膜，其包含通过热CVD法制造的TiCxN1-x的纳米晶体层以及非晶质SiCxNy的第二相。
在非专利文献1中公开了一种TiSiCN覆膜，其由通过PVD法形成的纳米复合材料结构构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2015-505902号公报
非专利文献
非专利文献1：Shinya Imamura et al.,“Properties and cutting performanceof AlTiCrN/TiSiCN bilayer coatings deposited by cathodic-arc ion plating”,Surface and Coatings Technology,202,(2007),820-825
发明内容
本公开的切削工具具备基材和配置在所述基材上的覆膜，
所述覆膜包含硬质颗粒层，
所述硬质颗粒层由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成，
在所述硬质颗粒中，所述硅的浓度沿着在所述硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化，
所述硬质颗粒层的取向为(220)取向。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的切削工具的剖面的一个例子的示意图。
图2是表示实施方式1所涉及的切削工具的剖面的另一个例子的示意图。
图3是表示实施方式1所涉及的切削工具的剖面的另一个例子的示意图。
图4是表示实施方式1所涉及的切削工具的剖面的另一个例子的示意图。
图5是示意性地表示实施方式1所涉及的切削工具的硬质相颗粒层的剖面的明场透射电子显微镜(BF-STEM)图像(观察倍率：10万倍)的一个例子的图。
图6是示意性地表示实施方式1所涉及的切削工具的硬质相颗粒层的剖面的明场透射电子显微镜(BF-STEM)图像(观察倍率：200万倍)的一个例子的图。
图7是表示针对实施方式1所涉及的切削工具的硬质颗粒进行线分析而得到的结果的图表的一个例子。
图8是在实施方式2所涉及的切削工具的制造中使用的CVD装置的一个例子的示意性剖视图。
具体实施方式
[本公开所要解决的问题]
近年来，降低制造成本的要求日益变高，要求具有较长的工具寿命的切削工具。
因此，本公开的目的在于提供一种具有较长的工具寿命的切削工具。
[本公开的效果]
根据本公开，能够提供具有较长的工具寿命的切削工具。
[本公开的实施方式的说明]
首先列举本公开的实施方式进行说明。
(1)本公开的切削工具具备基材和配置在所述基材上的覆膜，
所述覆膜包含硬质颗粒层，
所述硬质颗粒层由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成，
在所述硬质颗粒中，所述硅的浓度沿着在所述硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化，
所述硬质颗粒层的取向为(220)取向。
根据本公开，切削工具能够具有较长的工具寿命。
(2)优选地，在所述硬质颗粒中，所述硅的原子数ASi相对于所述钛的原子数ATi与所述硅的原子数ASi的合计的百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均为1％以上且20％以下。
由此，切削工具的工具寿命进一步提高。
(3)优选地，所述硅的浓度的平均周期宽度为3nm以上且50nm以下。由此，切削工具的工具寿命进一步提高。
(4)优选地，所述硬质颗粒层的厚度为1μm以上且20μm以下。由此，切削工具的工具寿命进一步提高。
(5)优选地，所述基材由包含碳化钨和钴的硬质合金构成，
所述硬质合金中的所述钴的含有率为6质量％以上且11质量％以下。
由此，切削工具的工具寿命进一步提高。
(6)优选地，在所述硬质颗粒中，所述硅的原子数ASi相对于所述钛的原子数ATi与所述硅的原子数ASi的合计的百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值与最小值之差为1％以上且38％以下。
由此，硬质颗粒层的膜硬度以及韧性提高。
(7)优选地，所述覆膜包含配置于所述基材的正上方的基底层，
所述基底层由选自由TiN层、TiC层、TiCN层、TiBN层以及Al2O3层组成的群组中的至少一种构成。
通过在基材的正上方配置TiN层、TiC层、TiCN层和TiBN层作为基底层，能够提高基材与覆膜之间的紧贴性。另外，通过使用Al2O3层作为基底层，能够提高覆膜的耐氧化性。
(8)优选地，所述覆膜包含在所述覆膜中配置于最表面侧的最外层，
所述最外层由包含90质量％以上的钛的碳化物、钛的氮化物或钛的硼化物的层、或Al2O3层构成。
作为最外层，通过使用包含90质量％以上的钛的碳化物、钛的氮化物或钛的硼化物的层，具有切削使用后的切削刀片的角部识别(使用过的部位的识别)容易的优点。通过使用Al2O3层作为最外层，能够提高覆膜的耐氧化性。
[本公开的实施方式的详细内容]
以下，参照附图对本公开的切削工具的具体例进行说明。在本公开的附图中，相同的附图标记表示相同部分或相当部分。另外，长度、宽度、厚度、深度等尺寸关系为了附图的清晰化和简化而适当变更，未必表示实际的尺寸关系。
在本说明书中，“A～B”这样的形式的表述是指范围的上限下限(即A以上且B以下)，在A中没有单位的记载、仅在B中记载有单位的情况下，A的单位与B的单位相同。
在本说明书中，在以化学式表示化合物等的情况下，在不特别限定原子比时，包含以往公知的所有原子比，不一定仅限定于化学计量范围的原子比。例如在记载为“TiSiCN”的情况下，构成TiSiCN的原子数之比包含以往公知的所有原子比。
[实施方式1：切削工具]
本公开的一个实施方式(以下，也称为“本实施方式”)的切削工具具备基材和配置在该基材上的覆膜，其中，
该覆膜包含硬质颗粒层，
该硬质颗粒层由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成，
在该硬质颗粒中，该硅的浓度沿着在该硬质颗粒内设定的第一方向而周期性变化，
该硬质颗粒层的取向为(220)取向。
本实施方式的切削工具能够具有较长的工具寿命。据推测其理由如以下(i)～(iii)所述。
(i)在本实施方式的切削工具中，覆膜包含由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成的硬质颗粒层。包含钛、硅、碳以及氮的硬质颗粒的硬度高。因此，由该硬质颗粒构成的硬质颗粒层的硬度高，具有优异的耐磨损性。
(ii)在本实施方式的切削工具的硬质颗粒中，硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化。由此，在硬质颗粒内产生应变，硬质颗粒以及硬质颗粒层的硬度变高，切削工具的耐磨损性提高。另外，由于硬质颗粒内的组成变化，抑制裂纹的传播，切削工具的耐缺损性提高。
(iii)在本实施方式的切削工具中，硬质颗粒层的取向为(220)取向。在硬质颗粒层的取向为(220)取向时，该硬质颗粒层的弹性恢复率提高。包含该硬质颗粒层的切削工具尤其是在铸铁切削中表现出优异的耐磨损性。这是本发明的发明人新发现的见解。
<切削工具的构成>
如图1所示，本实施方式的切削工具1具备基材10和配置在该基材10上的覆膜14。在图1中，该覆膜14仅由硬质颗粒层11构成。优选覆膜14将基材的参与切削的部分的至少一部分覆盖，进一步优选将基材的整个面覆盖。基材的参与切削的部分是指基材表面上距刀尖棱线的距离为500μm以内的区域。即使基材的一部分未被该覆膜覆盖或者覆膜的构成局部不同，也不脱离本公开的范围。
在硬质颗粒层的基础上，覆膜还可以包含其他层。例如，如图2的切削工具21所示，在硬质颗粒层11的基础上，覆膜24还可以包含配置于基材10与硬质颗粒层11之间的基底层12。
如图3的切削工具31所示，在硬质颗粒层11以及基底层12的基础上，覆膜34还可以包含配置在硬质颗粒层11上的最外层13。
如图4的切削工具41所示，覆膜45可以包含硬质颗粒层11、由第一基底层12A和第二基底层12B的两层结构构成的基底层12以及最外层13。
<切削工具的种类>
本公开的切削工具例如可以为钻头、立铣刀(例如，球头立铣刀)、钻头用可转位切削刀片、立铣刀用可转位切削刀片、铣削加工用可转位切削刀片、车削加工用可转位切削刀片、金工锯、齿轮切割工具、铰刀、丝锥等。
<基材>
基材10包含前刀面和后刀面，作为这种基材，只要是以往公知的基材，则均可以使用。例如，优选为硬质合金(例如，包含碳化钨和钴的WC基硬质合金，该硬质合金可以包含Ti、Ta、Nb等碳氮化物)、金属陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等为主成分)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等)、立方晶型氮化硼烧结体或金刚石烧结体中的任一种。
在这些各种基材中，优选由包含碳化钨和钴的硬质合金构成且该硬质合金中的钴的含有率为6质量％以上且11质量％以下的基材。由此，高温下的硬度与强度的平衡优异，作为上述用途的切削工具的基材具有优异的特性。在使用WC基硬质合金作为基材的情况下，其组织中可以包含游离碳以及被称为η相或ε相的异常层等。
进一步地，基材的表面可以被改性。例如在硬质合金的情况下，可以在其表面形成脱β层，在金属陶瓷的情况下，可以形成表面硬化层。基材即使其表面被改性也显示出所期望的效果。
在切削工具为可转位切削刀片等的情况下，基材可以具有断屑器，也可以不具有断屑器。刀尖棱线部的形状可以采用锐边(前刀面与后刀面交叉的棱)、珩磨(对锐边赋予圆角)、负刃带(进行倒角)、或珩磨与负刃带组合等中的任一种。
<覆膜的构成>
本实施方式的覆膜包含硬质颗粒层。只要覆膜包含硬质颗粒层，则本实施方式的覆膜也可以包含其他层。作为其他层，例如可列举为基底层以及最外层。在后面叙述硬质颗粒层、基底层以及最外层的详细内容。
本实施方式的覆膜整体的厚度优选为1μm以上且30μm以下。在覆膜整体的厚度为1μm以上时，能够具有优异的耐磨损性。另一方面，在覆膜整体的厚度为30μm以下时，能够抑制在断续加工中对覆膜与基材之间施加较大的应力时的覆膜的剥离或破坏的产生。
上述覆膜的厚度，例如通过得到与基材的表面的法线方向平行的剖面样品，用扫描透射型电子显微镜(STEM：Scanning Transmission Electron Microscopy)对该样品进行观察来测定。该剖面样品是使用离子切片机等加工而成的薄片样品。作为扫描透射型电子显微镜，例如可列举为日本电子株式会社制造的JEM-2100F(商标)。测定条件设为加速电压为200kV以及电流量为0.3nA。
在本说明书中提到“厚度”的情况下，该厚度是指平均厚度。具体而言，将剖面样品的观察倍率设为1000倍，在电子显微镜图像中设定(与基材表面平行的方向100μm)×(包含覆膜的厚度整体的距离)的矩形的测定视野，在该视野中对十处位置的厚度幅度进行测定，将其平均值作为“厚度”。对于下述所记载的各层的厚度(平均厚度)，也同样地进行测定而算出。
确认了只要在同一试样中进行测定，即使变更测定视野的选择部位而进行多次，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，结果也不会随意变化。
<硬质颗粒层>
硬质颗粒层由包含钛(Ti)、硅(Si)、碳(C)以及氮(N)的多个硬质颗粒构成。作为该硬质颗粒，可列举为包含由钛、硅、碳以及氮构成的TiSiCN颗粒。在TiSiCN颗粒中，除了钛、硅、碳以及氮以外，只要不影响本公开的效果，就可以包含不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，例如，即使包含非晶相、金属间化合物(例如TiSi2、Co2Si等)，只要发挥本公开的效果，就不脱离本公开的范围。
(硬质颗粒)
在上述硬质颗粒中，硅的浓度沿着在该硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化。在本说明书中，第一方向被定义为通过以下(A1)～(A4)的方法确定的方向。
(A1)利用金刚石线沿着基材的前刀面的法线对切削工具进行切割，使硬质颗粒层的剖面露出。此时，作为测定样品，制作使用离子切片机等加工而成的薄片样品。
(A2)使用明场扫描透射电子显微镜(BF-STEM)以10万倍对加工后的薄片样品进行观察，确定一个硬质颗粒。图5是示意性地表示本实施方式的硬质颗粒层的BF-STEM图像(观察倍率：10万倍)的一个例子的图。接着，以200万倍对所确定的一个硬质颗粒进行观察，得到BF-STEM图像。图6是示意性地表示图5中所确定的一个硬质颗粒的BF-STEM图像(观察倍率：200万倍)的一个例子的图。
(A3)在上述BF-STEM图像(观察倍率：200万倍)中，确定黑色所示的层(以下，也记为“第一单元层”)与灰色所示的层(以下，也记为“第二单元层”)交替地大致平行层叠的区域(以下，也记为“层叠区域”)。黑色所示的第一单元层是硅的含量多的区域，灰色所示的第二单元层是硅的含量少的区域。
(A4)在上述所确定的层叠区域中，确定第一单元层(以黑色表示的层)与第二单元层(以灰色表示的层)的层叠方向。具体而言，使限制视野区域的电子衍射图案与第一单元层和第二单元层的层叠方向重叠，使用衍射光斑所示的方位来确定层叠方向。在图6中，第一单元层和第二单元层的层叠方向由从圆圈S向圆圈E的箭头表示。在本说明书中，该层叠方向被定义为第一方向。
如上所述，在本说明书中，第一方向也可以定义为沿着硬质颗粒内的层叠方向的方向。
在本实施方式的硬质颗粒层中，沿着上述第一方向的线以45°以上且90°以下的预定角度与基材和覆膜之间的界面交叉。
在本说明书中，在硬质颗粒中，硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化的情况通过以下的方法来确认。
(B1)在上述BF-STEM图像(观察倍率：200万倍)中，沿着第一方向，通过附带STEM的EDX(能量色散型X射线光谱法：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)进行线分析，对钛的原子数基准的含有率ATi以及硅的原子数基准的含有率ASi进行测定。线分析的光束直径设为0.5nm以下，扫描间隔设为0.5nm，线分析的长度设为50nm。
(B2)得到将线分析的结果示于坐标系的图表，在该坐标系中，将X轴设为从线分析的开始点沿着第一方向的距离(nm)，将Y轴设为硅的原子数ASi相对于硅的原子数ASi与钛的原子数ATi的合计的百分率({ASi/(ASi+ATi)}×100)(％)。该图表表示随着从线分析的开始点沿着第一方向的距离(X轴)的增大的、硅的原子数ASi相对于硅的原子数ASi与钛的原子数ATi的合计的百分率(Y轴)的变化。
图7表示对图6的BF-STEM图像的从圆圈S向圆圈E的箭头进行线分析而得到的图表的一个例子。
(B3)在上述图表中划出表示{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均值的线L1。在图7中，{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均值为e1。该平均值e1由线L1表示。
(B4)在上述图表中，在{ASi/(ASi+ATi)}×100的值比线L1大的区域(以下，也记为“第1A区域”)和{ASi/(ASi+ATi)}×100的值比线L1小的区域(以下，也记为“第1B区域”)沿着第一方向交替地连续存在的情况下，判定为在硬质颗粒中，硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化。在此，{ASi/(ASi+ATi)}×100与该平均值相同的区域为第1A区域。
在图7中，第1A区域例如是从线分析的开始点沿着第一方向的距离为c1以上且c2以下、c3以上且c4以下、c5以上且c6以下、c7以上且c8以下、c9以上且c10以下、c11以上且c12以下的区域(比c13大的距离省略记载)。在图7中，第1B区域例如是从线分析的开始点沿着第一方向的距离超过c2且小于c3、超过c4且小于c5、超过c6且小于c7、超过c8且小于c9、超过c10且小于c11、超过c12且小于c13的区域。
优选地，在各第1A区域中，随着从距线分析的开始点最近的地点起，距线分析的开始点的距离的增大，{ASi/(ASi+ATi)}×100的值从平均值增大到该第1A区域内的最大值，之后，减小到平均值。
第1A区域中的上述增大不限于单调增大，也可以在增大的中途存在{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的平均值与该第1A区域内的最大值之差的50％以内的减小。另外，第1A区域中的上述减小不限于单调减小，也可以在减小的中途存在{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的平均值与该第1A区域内的最大值之差的50％以内的增大。
优选地，在各第1B区域中，随着从距线分析的开始点最近的地点起，距线分析的开始点的距离的增大，{ASi/(ASi+ATi)}×100的值从平均值减小到该第1B区域内的最小值，之后，增大到平均值。
第1B区域中的上述减小不限于单调减小，也可以在减小的中途存在{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的平均值与该第1B区域内的最小值之差的50％以内的增大。另外，第1B区域中的上述增大不限于单调增大，也可以在增大的中途存在{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的平均值与该第1B区域内的最小值之差的50％以内的减小。
例如，在图7中，在从线分析的开始点沿着第一方向的距离为c1以上且c2以下的第1A区域中，P1处的{ASi/(ASi+ATi)}×100的值a1为第1A区域内的最大值。在该第1A区域中，随着从线分析的开始点沿着第一方向的距离从c1增大到c2，{ASi/(ASi+ATi)}×100的值从平均值e1增大到最大值a1，之后，从最大值a1减小到平均值e1。在图7中，在从线分析的开始点沿着第一方向的距离超过c2且小于c3的第1B区域中，B1处的{ASi/(ASi+ATi)}×100的值b1为第1B区域内的最小值。在该第1B区域中，随着从线分析的开始点沿着第一方向的距离从c2增大到c3，{ASi/(ASi+ATi)}×100的值从平均值e1减小至最小值b1，之后，从最小值b1增大到平均值e1。
通过上述方法，在硬质颗粒中，只要确认到硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化，就可以确认显示出本公开的效果。
({ASi/(ASi+ATi)}×100)
在本实施方式的硬质颗粒中，硅的原子数ASi相对于钛的原子数ATi与硅的原子数ASi的合计的百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均优选为1％以上且20％以下。
由此，切削工具的耐磨损性和耐缺损性进一步提高，工具寿命进一步提高。
从膜硬度以及韧性提高的观点出发，上述{ASi/(ASi+ATi)}×100更优选为1％以上且10％以下，进一步优选为1％以上且5％以下。
在本说明书中，硬质颗粒中的上述{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均是指硬质颗粒中的进行了线分析的区域中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的平均。
从膜硬度以及韧性提高的观点出发，硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值优选为1.5％以上且40％以下，更优选为1.5％以上且20％以下，更优选为1.5％以上且10％以下。在本说明书中，“硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值”是通过以下的方法计算出的值。首先，在硬质颗粒中的进行了线分析的区域中存在的各第1A区域中，对该第1A区域内的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值进行测定。在进行了线分析的区域中存在的第1A区域中的最大值的平均相当于“硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的值的最大值”。
从膜硬度以及韧性提高的观点出发，硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最小值更优选为0％以上且1.0％以下，进一步优选为0％以上且0.5％以下。在本说明书中，“硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最小值”是通过以下的方法计算出的值。首先，在硬质颗粒中的进行了线分析的区域中存在的各第1B区域中，对各第1B区域内的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最小值进行测定。在进行了线分析的区域中存在的第1B区域中的最小值的平均相当于“硬质颗粒中的{ASi/(ASi+ATi)}×100的最小值”。
从膜硬度以及韧性提高的观点出发，{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值与最小值之差优选为1％以上且38％以下，更优选为1％以上且20％以下，更优选为1％以上且8％以下。
确认了只要在同一试样中进行测定，即使变更硬质颗粒中的线分析的测定部位而进行多次，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定部位，结果也不会随意变化。
(硅浓度的平均周期宽度)
在本实施方式的硬质颗粒中，硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化。沿着该第一方向的硅的浓度的平均周期宽度优选为3nm以上且50nm以下。由此，耐磨损性以及耐缺损性提高，工具寿命提高。从提高耐缺损性的观点出发，硅的浓度的周期宽度的下限优选为3nm以上，更优选为4nm以上，进一步优选为5nm以上。从提高耐磨损性的观点出发，硅的浓度的周期宽度的上限优选为50nm以下，更优选为30nm以下，进一步优选为10nm以下。硅的浓度的周期宽度更优选为4nm以上且30nm以下，进一步优选为5nm以上且10nm以下。
在本说明书中，上述硅的浓度的周期宽度的测定方法如下所述。通过与上述(A1)～(A3)同样的方法设定层叠区域。对该层叠区域进行傅立叶变换，得到傅立叶变换图像。在该傅立叶变换图像中，层叠区域内的周期性表现为点。周期宽度通过计算上述点与在傅立叶变换图像中表示最大强度的图像中央之间的距离的倒数来计算。
确认了只要在同一试样中进行测定，即使在硬质颗粒的层叠区域内变更测定部位而进行多次，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定部位，结果也不会随意变化。
通过上述傅立叶变换求出的周期宽度相当于存在于相邻的第1A区域内的{ASi/(ASi+ATi)}×100为最大值的位置间的沿着第一方向的距离。存在于相邻的第1A区域内的{ASi/(ASi+ATi)}×100为最大值的位置间的沿着第一方向的距离在图7中相当于P1与P2之间的距离d1、P2与P3之间的距离d2、P3与P4之间的距离d3、P4与P5之间的距离d4、P5与P6之间的距离d5、P6与P7之间的距离d6。
(硬质颗粒的粒径)
本实施方式的硬质颗粒的粒径例如优选为10nm以上且1000nm以下。由此，能够具有优异的耐缺损性。硬质颗粒的粒径更优选为10nm以上且700nm以下，进一步优选为10nm以上且500nm以下。
上述粒径的测定方法如下所述。利用FIB加工件对基材和形成于基材上的覆膜进行加工以使得能够看到剖面，利用FE-SEM(场发射型扫描型电子显微镜)对该剖面进行观察。此时，通过作为反射电子图像进行观察，以相同的对比度观察到具有相同的晶体取向的部分，将该相同对比度部分视为一个硬质颗粒。
接着，对于这样得到的图像，在硬质颗粒层的任意的部位划出与基材表面平行的任意长度(优选相当于400μm)的直线。然后，对该直线所含的硬质颗粒的个数进行测定，将该直线的长度除以硬质颗粒的个数而得到的值作为硬质颗粒的粒径。
(硬质颗粒层的取向)
在本实施方式中，硬质颗粒层的取向为(220)取向。在本说明书中，“硬质颗粒层的取向为(220)取向”是指在由以下的式(1)定义的取向性指数TC(hkl)中，硬质颗粒层中的(220)面的取向性指数TC(220)大于其他晶体取向面的取向性指数。在此，其他晶体取向面是指(111)面、(200)面、(311)面、(331)面、(420)面、(422)面以及(511)面。
[数1]
在式(1)中，I(hkl)以及I(hxkylz)分别表示所测定的(hkl)面的衍射强度以及所测定的(hxkylz)面的衍射强度，I0(hkl)以及I0(hxkylz)分别表示基于JCPDS(Joint Committeeon Powder Diffraction Standards：粉末衍射标准联合委员会)数据库的(hkl)面的TiC(卡片编号：32-1383)以及TiN(卡片编号：38-1420)的粉末衍射强度的平均值以及基于JCPDS数据库的(hxkylz)面的TiC以及TiN的粉末衍射强度的平均值，(hkl)以及(hxkylz)分别表示(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(331)面、(420)面、(422)面以及(511)面这八个面中的任一个。
从弹性恢复率提高以及尤其是铸铁切削中的耐磨损性提高的观点出发，本实施方式的硬质颗粒层的取向性指数TC(220)优选为3.5以上，更优选为5以上，进一步优选为6以上。取向性指数TC(220)的值的上限没有限制，但在计算中使用的反射面为8个，因此为8以下即可。取向性指数TC(220)的值优选为3.5以上且8以下，更优选为5以上且8以下，进一步优选为6以上且8以下。
取向性指数TC(220)通过在以下的条件下进行的X射线衍射测定而求出。具体而言，对硬质颗粒层中的任意的一处进行X射线衍射测定(装置：Rigaku株式会社制造的SmartLab(注册商标))，将基于上述式(1)求出的(220)面的取向性指数作为该硬质颗粒层中的取向性指数TC(220)。在选择上述的“任意的一处”时，将一眼看去就表示异常值的点排除。
《X射线衍射测定的条件》
X射线输出：45kV，200mA
X射线源、波长：CuKα、
检测器：D/teX Ultra 250
扫描轴：2θ/θ
长边限制狭缝宽度：2.0mm
扫描模式：CONTINUOUS(连续)
扫描速度：20°/min
确认了只要在同一试样中进行测定，即使变更硬质颗粒层中的测定部位而进行多次，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定部位，结果也不会随意变化。
<其他层>
如上所述，覆膜可以包含硬质颗粒层以外的其他层。如图2～图4所示，作为其他层，可列举为基底层12以及最外层13等。
(基底层)
基底层配置于基材与硬质颗粒层之间。作为基底层，例如可以列举为TiN层、TiC层、TiCN层、TiBN层、Al2O3层。通过在基材的正上方配置TiN层、TiC层、TiCN层、TiBN层作为基底层，能够提高基材与覆膜的紧贴性。另外，通过使用Al2O3层作为基底层，能够提高覆膜的耐氧化性。基底层的平均厚度优选为0.1μm以上且20μm以下。由此，覆膜能够具有优异的耐磨损性以及耐缺损性。
基底层可以由一层构成。另外，如图4所示，基底层12可以具有由配置于基材侧的第一基底层12A和配置于基材的相反侧的第二基底层12B构成的两层结构。在基底层为两层结构的情况下，优选组合TiN层和TiCN层。由于TiCN层的耐磨损性优异，因此能够通过覆膜而赋予适当的耐磨损性。第一基底层的平均厚度优选为0.1μm以上且20μm以下，更优选为0.1μm以上且19μm以下。第二基底层的平均厚度优选为1μm以上且20μm以下，进一步优选为1μm以上且19.9μm以下。
(最外层)
最外层是在覆膜中配置于最表面侧的层。但是，也有在刀尖棱线部未形成最外层的情况。当在硬质颗粒层上未形成其他层的情况下，最外层配置于硬质颗粒层的正上方。作为最外层，优选以Ti(钛)的碳化物、氮化物和硼化物中的任一种为主成分。另外，通过使用Al2O3层作为最外层，能够提高覆膜的耐氧化性。
“以Ti的碳化物、氮化物和硼化物中的任一种为主成分”是指含有90质量％以上的Ti的碳化物、氮化物和硼化物中的任一种。另外，是指优选除了不可避免的杂质以外由Ti的碳化物、氮化物和硼化物中的任一种构成。
在Ti的碳化物、氮化物以及碳氮化物中的任一种中，特别优选的是以Ti的氮化物(即以TiN表示的化合物)为主成分而构成最外层。TiN在这些化合物中色彩最清楚(呈现金色)，因此具有切削使用后的切削刀片的角部识别(使用过的部位的识别)容易的优点。优选最外层由TiN层构成。
最外层的平均厚度优选为0.05μm以上且1μm以下。由此，最外层与相邻的层的紧贴性提高。
<实施方式2：切削工具的制造方法>
使用图8对本实施方式的切削工具的制造方法的一个例子进行说明。图8是在本实施方式的切削工具的制造中使用的CVD装置的一个例子的概要剖视图。
(基材的准备)
准备基材。基材的详细情况在上述的内容中进行了记载，因此不重复其说明。
(覆膜的形成)
接着，使用例如图8所示的CVD装置在上述基材上形成覆膜。在CVD装置50内，能够设置多个保持基材10的基材设置夹具52，它们被耐热合金钢制的反应容器53覆盖。另外，在反应容器53的周围配置有调温装置54，通过该调温装置54，能够对反应容器53内的温度进行控制。
在CVD装置50配置有具有两个导入口55、导入口57的导入管56。导入管56配置为将配置基材设置夹具52的区域贯通，在基材设置夹具52附近的部分形成有多个贯通孔。在导入管56中，从导入口55、导入口57导入至管内的各气体在导入管56内也不会混合，而是分别经由不同的贯通孔而导入至反应容器53内。该导入管56能够以其轴为中心轴进行旋转。另外，在CVD装置50配置有排气管59，废气能够从排气管59的排气口60向外部排出。此外，反应容器53内的夹具类等通常由石墨构成。
在覆膜包含基底层和/或最外层的情况下，这些层可以通过以往公知的方法来形成。
硬质颗粒层可以使用上述CVD装置通过以下的方法来形成。具体而言，将包含Ti以及Si的第一原料气体从导入口55导入到导入管56内，将包含C以及N的第二原料气体从导入口57导入到导入管56内。第一原料气体例如可以包含TiCl4气体以及SiCl4气体。第二原料气体例如可以包含CH3CN气体。此外，第一原料气体以及第二原料气体可以分别包含载气(H2气体、N2气体或Ar气体等)。以下，将反应容器内的第一原料气体以及第二原料气体的合计记为反应气体。
在导入管56的图中上侧开设有多个贯通孔。导入的第一原料气体(或由第一原料气体和载气构成的第一混合气体)以及第二原料气体(或由第二原料气体和载气构成的第二混合气体)分别从不同的贯通孔向反应容器53内喷出。此时，如图中旋转箭头所示，导入管56以其轴为中心进行旋转。因此，第一原料气体(或第一混合气体)和第二原料气体(或第二混合气体)作为均匀混合的混合气体，向设置在基材设置夹具52上的基材10的表面喷出。
在硬质颗粒层的形成中，反应气体的总气体流量例如可以设为10～80L/分钟。在此，“总气体流量”表示将标准状态(0℃、1个大气压)下的气体作为理想气体，每单位时间导入到CVD炉的总容积流量。
在硬质颗粒层的形成过程中，反应气体中的TiCl4气体以及CH3CN气体的比例始终恒定。反应气体中的TiCl4气体的比例例如可以设为0.35～1.30体积％。反应气体中的CH3CN气体的比例例如可以设为0.5～0.7体积％。
通过对SiCl4气体的导入量进行调节，使反应气体中的SiCl4气体的比例周期性地变化。具体而言，在将SiCl4气体的导入量的变化的一个周期的长度设为t(秒)，将反应气体中的SiCl4气体的比例的变化的范围设为r1(体积％)～r2(体积％)的情况下，对SiCl4气体的导入量进行调节，使得从成膜开始时到一个周期的中间时刻(t/2(秒))为止，SiCl4气体的比例从r1(体积％)逐渐增加到r2(体积％)，接着，从中间时刻(t/2(秒))到一个周期的最终时刻(t(秒))为止，SiCl4气体的比例从r2(体积％)逐渐减少到r1(体积％)。将其作为一个周期，重复该周期直至硬质颗粒层达到所期望的厚度为止。反应气体中的载气(例如，H2气体)的比例，根据SiCl4气体的比例的变化，以总气体流量恒定的方式进行变化。通过对上述一个周期的长度t(秒)进行调整，能够对硬质颗粒中的硅的浓度的周期宽度(nm)进行控制。通过对上述反应气体中的SiCl4气体的比例的范围的最小值r1和最大值r2进行调整，能够对硬质颗粒中的ASi/(ASi+ATi)的值进行控制。
在本工序中，基材10的温度优选为900～950℃的范围，反应容器53内的压力优选为0.1～13.0kPa。通过将成膜时的基材的温度设为上述范围，硬质颗粒层的取向成为(220)取向。上述成膜时的基材的温度高于以往的TiSiCN层的形成过程中采用的基材的温度(例如，800～850℃)。硬质颗粒层的厚度可以通过对原料气体的流量和成膜时间进行调节来进行控制。
接着，对形成有覆膜的基材10进行冷却。冷却速度例如不超过5℃/min，另外，该冷却速度随着基材10的温度降低而变慢。
此外，在上述工序的基础上，还可以进行退火等热处理工序、表面磨削、喷丸等表面处理工序。
通过上述的制造方法，能够得到实施方式1的切削工具。
[附记1]
在本公开的切削工具中，硬质颗粒层的取向性数TC(220)优选为3.5以上且8以下，更优选为5以上且8以下，进一步优选为6以上且8以下。
实施例
通过实施例对本实施方式更具体地进行说明。但是，本实施方式并不限定于这些实施例。
<基材的准备>
准备以下的表1中记载的基材K、基材L以及基材M。具体而言，首先，将由表1中记载的配合组成(质量％)构成的原料粉末均匀地混合，得到混合粉末。表1中的“余量”表示WC占配合组成(质量％)的剩余部分。接着，将混合粉末加压成形为CNMG120408(住友电工硬质合金公司制造的可转位切削刀片)的形状后，在1300～1500℃下烧结1～2小时，由此得到硬质合金制的基材K、基材L以及基材M。基材K、基材L以及基材M的基材形状均为CNMG120408。
表1
<覆膜的形成>
对于上述得到的基材K、基材L或基材M，在其表面形成覆膜。具体而言，使用图8所示的CVD装置，将基材设置于基材设置夹具，进行热CVD法，由此在基材上形成覆膜。将各试样的覆膜的构成示于表2。
表2
在表2中，基底层是与基材的表面直接接触的层，硬质颗粒层是形成于基底层的正上方的层，最外层是形成于硬质颗粒层的正上方且露出于外部的层。另外，表2的基底层一栏以及最外层一栏的化合物的记载是构成表2的基底层以及最外层的化合物，化合物的右边的括号内的数值表示层的厚度。另外，在表2的一个栏内记载有两种化合物(例如，“TiN(0.5)-TiCN(3.0)”)的情况下，是指左侧(“TiN(0.5)”)的化合物为构成位于靠近基材的一侧的层的化合物，右侧(“TiCN(3.0)”)的化合物为构成位于远离基材的一侧的层的化合物，括号中的数值是指各个层的厚度。表2的硬质颗粒层的a～p以及w～z的记载表示是以表4的形成条件a～形成条件p以及形成条件w～形成条件z形成的层，括号内的数值是指层的厚度。另外，表2的“-”所示的一栏表示不存在该层。
例如，在表2中的试样1的切削工具中，在基材K的表面的正上方依次层叠厚度为0.5μm的TiN层以及厚度为3.0μm的TiCN层而形成基底层，在该基底层的正上方形成在后述的形成条件a下形成的厚度为5.1μm的硬质颗粒层，并且覆膜整体的厚度为8.6μm。在试样1中，在硬质颗粒层的正上方没有形成最外层。
表2所示的基底层以及最外层是通过以往公知的CVD法形成的层，其形成条件如表3所示。例如，在表3的“TiN(基底层)”的行中，示出了作为基底层的TiN层的形成条件。表3的TiN层(基底层)的记载是指通过在CVD装置的反应容器内(反应容器内压力为6.7kPa)配置基材，将基材加热至基材温度为915℃，以63.8L/分钟的流量向反应容器内喷出由2.0体积％的TiCl4气体、39.7体积％的N2气体和余量(58.3体积％)的H2气体构成的混合气体而形成。此外，各层的厚度通过喷出各反应气体的时间来进行控制。
表3
表2所示的硬质颗粒层在表4所示的形成条件a～形成条件p以及形成条件w～形成条件z中的任一条件下形成。
(形成条件a～形成条件p以及形成条件z)
在形成条件a～形成条件p以及形成条件z中，首先，将CVD装置的反应容器内压力设定为表4的“反应容器内压力(kPa)”一栏中记载的压力，以及，将基材温度设定为表4的“基材温度(℃)”一栏中记载的温度。例如，在形成条件a下，将CVD装置的反应容器内压力设定为9.0kPa，以及，将基材温度设定为920℃。
接着，向反应容器内导入包含表4的“反应气体组成”一栏中记载的成分的反应气体，在基材上形成硬质颗粒层(TiSiCN层)。反应气体的总气体流量如表4的“总气体流量(L/分钟)”一栏中所记载。“总气体流量”表示将标准状态(0℃、1个大气压)下的气体作为理想气体，每单位时间导入到CVD炉的总容积流量。
反应气体中的TiCl4气体、CH3CN气体以及N2气体的比例在硬质颗粒层的形成过程中始终恒定。反应气体中的SiCl4气体的比例以表4的“SiCl4”的“周期”一栏所示的时间(秒)为一个周期，在“范围”一栏所示的比例(体积％)的范围内变化。具体而言，以如下方式对SiCl4气体的导入量进行调节：将成膜开始时的SiCl4气体的比例设为“范围”一栏所示的最小值，从成膜开始至表4的“周期”一栏所示的时间(秒)的中间时刻((1/2)周期(秒))为止，SiCl4气体的比例逐渐增大至“范围”一栏所示的最大值，接着，从中间时刻((1/2)周期(秒))至一个周期的最终时刻(一个周期(秒))为止，SiCl4气体的比例逐渐减小至“范围”一栏所示的最小值。将其作为一个周期，重复该周期直至硬质颗粒层达到所期望的厚度为止。H2气体的比例根据SiCl4气体的比例的变化而以总气体流量恒定的方式进行变化。
例如，在形成条件a下，反应气体的总气体流量为60.0L/分钟。反应气体中的TiCl4气体的比例为0.70体积％，CH3CN气体的比例为0.60体积％，N2气体的比例为8.90体积％，这些气体的比例在硬质颗粒层的形成过程中为恒定。反应气体中的SiCl4气体的比例以7秒为一个周期，在0.1～1.7体积％的范围内变化。更具体而言，以如下方式对SiCl4气体的导入量进行调节：将成膜开始时的SiCl4气体的比例设为0.1体积％，从成膜开始至3.5秒为止，SiCl4气体的比例从0.1体积％逐渐增大至1.7体积％，接着，从成膜开始3.5秒后至7秒后为止，SiCl4气体的比例从1.7体积％逐渐减小至0.1体积％。将其作为一个周期，重复该周期直至硬质颗粒层的厚度达到表1的“硬质颗粒层”一栏中记载的厚度为止。H2气体的体积比例根据SiCl4气体的比例的变化而以总气体流量恒定的方式进行变化。在形成条件a下，反应气体中的SiCl4气体的比例的平均为0.90体积％。
之后，以5℃/分钟的冷却速度对基材进行冷却。
(形成条件w)
形成条件w为以往的TiCN层的形成条件。具体而言，首先，将CVD装置的反应容器内压力设定为9.0kPa，以及，将基材温度设定为920℃。
接着，向反应容器内导入包含表4的“反应气体组成(体积％)”一栏中记载的成分的反应气体(TiCl4：2.00体积％、CH3CN：0.60体积％、H2气体：余量)，在基材上形成TiCN层(硬质颗粒层)。反应气体的组成在成膜过程中恒定。反应气体的总气体流量为总气体流量60.0L/分钟。之后，以5℃/分钟的冷却速度对基材进行冷却。
(形成条件x)
形成条件x是使用专利文献1中公开的PVD法形成硬质颗粒层(TiSiCN层)的条件。
(形成条件y)
形成条件y是使用专利文献2中公开的CVD法形成硬质颗粒层(TiSiCN层)的条件。
根据上述内容，得到试样1～试样27(相当于实施例)以及试样1-1～试样1-5(相当于比较例)的切削工具。
表4
<硬质颗粒层的特征>
(硬质颗粒层的构成)
确认了通过形成条件a～形成条件p以及形成条件z得到的硬质颗粒层由TiSiCN所构成的多个硬质颗粒构成，硅的浓度沿着在硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化。具体的确认方法记载于实施方式1，因此不重复其说明。
利用明场扫描透射电子显微镜(BF-STEM)对通过形成条件w得到的硬质颗粒(TiCN)层进行观察，结果为均匀的组织，未确认到周期性的变化。
利用明场扫描透射电子显微镜(BF-STEM)对通过形成条件x以及形成条件y得到的硬质颗粒层进行观察，结果确认到纳米复合材料结构。该硬质颗粒层为(200)取向。
({ASi/(ASi+ATi)}×100)
在通过各形成条件得到的硬质颗粒中，对{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值、最小值以及平均进行测定。具体的测定方法如实施方式1所记载，因此不重复其说明。将结果示于表5的“最大{ASi/(ASi+ATi)}×100(％)”、“最小{ASi/(ASi+ATi)}×100(％)”以及“平均{ASi/(ASi+ATi)}(％)”一栏中。此外，“-”的标记表示未进行测定。
(硅的浓度的周期宽度)
在通过各形成条件得到的硬质颗粒中，对在硬质颗粒内设定的第一方向上的硅的浓度的平均周期宽度进行测定。具体的测定方法如实施方式1所记载，因此不重复其说明。将结果示于表5的“平均周期宽度(nm)”一栏。此外，“-”的标记表示未进行测定。
(取向)
对通过各形成条件得到的硬质颗粒层的取向进行测定。硬质颗粒层的取向的具体的测定方法记载于实施方式1，因此不重复其说明。在各硬质颗粒层中，将取向性指数TC(hkl)中最大的取向性指数的取向面示于表5的“取向面”一栏，将该取向面的取向性指数TC(hkl)示于“取向面的取向性指数TC(hkl)”一栏。
在通过形成条件a～形成条件p以及形成条件w得到的硬质颗粒层中，(220)面的取向性指数TC(220)最大。因而，通过形成条件a～形成条件p以及形成条件w得到的硬质颗粒层的取向为(220)取向。例如，通过形成条件a得到的硬质颗粒层的取向性指数TC(220)为4.3。
在通过形成条件x～形成条件z得到的硬质颗粒层中，(200)面的取向性指数TC(200)最大。因而，通过形成条件x～形成条件z得到的硬质颗粒层的取向为(200)取向。
表5
<切削试验1>
使用试样1～试样27以及试样1-1～试样1-5的切削工具，在以下的切削条件下进行铸铁(FCD450)的连续切削，对后刀面磨损量(Vb)达到0.3mm为止的切削时间进行测定。切削时间越长，表示耐磨损性越优异，工具寿命越长。另外，对刀尖的最终损伤形态进行观察。在最终损伤形态中，“正常磨损”是指未产生崩裂、缺损等，仅由磨损构成的损伤形态(具有平滑的磨损面)，表示耐缺损性优异。将结果示于表6。
<切削条件>
被切削件：FCD450圆棒外周切削
圆周速度：150m/min
进给速度：0.15mm/rev
切入量：1.0mm
切削液：无
表6
(评价1)
确认了试样1～试样27(实施例)与试样1-1～试样1-5(比较例)相比，在铸铁的连续切削中耐磨损性优异，工具寿命较长。另外，确认了试样1～试样27的最终磨损形态为正常磨损，维持了与以往的硬质颗粒层(试样1-1～试样1-5)同等的优异的耐缺损性。
<切削试验2>
使用试样1～试样27以及试样1-1～试样1-5的切削工具，通过以下的切削条件进行铸铁(FC250)的断续切削，对直至切削工具缺损为止的冲击次数进行测定，对该切削工具的耐缺损性进行评价。在此，缺损是指300μm以上的缺损。直至缺损为止的冲击次数越多，表示耐缺损性越优异。将结果示于表7。此外，表7中“无缺损”表示进行切削直至冲击次数达到3000次，但未产生缺损。
<切削条件>
被切削件：FC250板材外周切削
圆周速度：300m/min
进给速度：0.2mm/rev
切入量：1.5mm
切削液：无
表7
(评价2)
确认了试样1-试样27(实施例)与试样1-1～试样1-5(比较例)相比，在铸铁的断续切削中耐缺损性优异，工具寿命较长。
如以上那样对本公开的实施方式以及实施例进行了说明，但从最初起也预定将上述的各实施方式以及实施例的构成适当组合或进行各种变形。
应当认为本次公开的实施方式以及实施例在所有方面都是示例，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式以及实施例表示，而是由权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的全部变更。
附图标记说明
1、21、31、41：切削工具；10：基材；11：硬质颗粒层；12、12A、12B：基底层；13：最外层；14、24、34、45：覆膜；50：CVD装置；52：基材设置夹具；53：反应容器；54：调温装置；55、57：导入口；56：导入管；59：排气管；60：排气口。

Claims (8)

1.一种切削工具，其具备基材和配置在所述基材上的覆膜，其中，
所述覆膜包含硬质颗粒层，
所述硬质颗粒层由包含钛、硅、碳以及氮的多个硬质颗粒构成，
在所述硬质颗粒中，所述硅的浓度沿着在所述硬质颗粒内设定的第一方向而周期性地变化，
所述硬质颗粒层的取向为(220)取向。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，在所述硬质颗粒中，所述硅的原子数ASi相对于所述钛的原子数ATi与所述硅的原子数ASi的合计的百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100的平均为1％以上且20％以下。
3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其中，所述硅的浓度的平均周期宽度为3nm以上且50nm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削工具，其中，所述硬质颗粒层的厚度为1μm以上且20μm以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的切削工具，其中，所述基材由包含碳化钨和钴的硬质合金构成，
所述硬质合金中的所述钴的含有率为6质量％以上且11质量％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，在所述硬质颗粒中，所述硅的原子数ASi相对于所述钛的原子数ATi与所述硅的原子数ASi的合计的百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100的最大值与最小值之差为1％以上且38％以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的切削工具，其中，
所述覆膜包含配置于所述基材的正上方的基底层，
所述基底层由选自由TiN层、TiC层、TiCN层、TiBN层以及Al2O3层组成的群组中的至少一种构成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的切削工具，其中，
所述覆膜包含在所述覆膜中配置于最表面侧的最外层，
所述最外层由包含90质量％以上的钛的碳化物、钛的氮化物或钛的硼化物的层、或Al2O3层构成。
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