本發(fā)明涉及一種表面被覆切削工具。

背景技術：

傳統(tǒng)上使用了在基材上形成有覆膜的表面被覆切削工具。例如，日本專利特開No.2004-284003(專利文獻1)公開了“一種表面被覆切削工具，其具有包括α-Al₂O₃層的覆膜，當在平面視圖中沿著該α-Al₂O₃層的表面的法線方向觀察時，該層中示出(0001)面晶體取向的晶粒的總面積為70％以上”。

日本專利特開No.2010-207946(專利文獻2)公開了一種表面被覆切削工具，其具有包括α-Al₂O₃層的覆膜，當在平面視圖中沿著與該α-Al₂O₃層的表面的法線方向觀察時，在表面處所觀察到的晶粒具有特定的尺寸范圍。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開No.2004-284003

專利文獻2：日本專利特開No.2010-207946

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

在專利文獻1和2中，通過包括具有如上構成的α-Al₂O₃層的覆膜，提高了表面被覆切削工具的機械性能(例如耐磨性和耐破損性)，并且由此可預期切削工具具有更長的使用壽命。

然而，在近年來的切削加工中，速度和效率提高，施加在切削工具上的載荷增加，并且切削工具的使用壽命不利地變短。因此，需要進一步提高切削工具上覆層的機械性能并延長切削工具的使用壽命。

基于這樣的情況完成了本發(fā)明，本公開的目的在于提供這樣一種表面被覆切削工具，其能提高覆膜的機械性能并且能夠延長切削工具的使用壽命。

解決問題的方案

根據(jù)本公開的一個實施方案的表面被覆切削工具為包括基材和在基材上形成的覆膜的表面被覆切削工具，該覆膜具有包含多個α-Al₂O₃的晶粒的α-Al₂O₃層，并且該α-Al₂O₃層包括：位于厚度方向上的基材側并且厚度為1μm的下層部分；以及位于與基材側相對的表面?zhèn)炔⑶液穸葹?μm的上層部分。對于沿著包括α-Al₂O₃層的表面的法線的平面切割α-Al₂O₃層而獲得的α-Al₂O₃層的截面，當通過場發(fā)射型掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對α-Al₂O₃層的截面進行電子束背散射衍射(EBSD)從而指定晶粒的各自晶體取向，并且基于晶粒取向制作彩色圖(color map)時，在該彩色圖中，在上層部分中，相對于α-Al₂O₃層的表面的法線方向，(001)面的法線方向在±10°之內的晶粒所占據(jù)的面積為90％以上；并且在下層部分中，相對于α-Al₂O₃層的表面的法線方向，(001)面的法線方向在±10°之內的晶粒所占據(jù)的面積為50％以下。

發(fā)明的有益效果

根據(jù)上述內容，可以提高覆膜的機械性能并且能夠進一步延長切削工具的使用壽命。

附圖說明

圖1為示出了根據(jù)本公開的一個實施方案的表面被覆切削工具的一個實例的透視圖。

圖2為沿圖1中的直線II-II截取得到的截面圖。

圖3為圖2的局部放大圖。

圖4示出了基于α-Al₂O₃層的截面而制作的彩色圖(color map)，其中該截面是通過沿著包括該覆膜表面的法線的平面切割覆膜時獲得的。

圖5為示出了在α-Al₂O₃層的厚度方向上的應力分布的示意圖。

圖6為示出了第二中間層在厚度上的形狀的示意性截面圖。

圖7為示出了用于制造根據(jù)實施方案的覆膜的化學氣相沉積裝置的一個實例的示意性截面圖。

具體實施方式

[本發(fā)明的實施方案的說明]

將首先列舉并說明本發(fā)明的實施方案。關于本說明書中結晶學的描述，各平面以()表示。在此，描述“A至B”表示一個范圍的上限值和下限值(即，A以上B以下)，并且當未指定A的單位而僅指定了B的單位時，則A的單位與B的單位相同。在此，對于未特別制定原子比的“TiN”或“TiCN”等化學式，這表示各元素的原子比并不僅局限于1，而是包括了所有常規(guī)已知的原子比。

[1]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的表面被覆切削工具為包括基材和在基材上形成的覆膜的表面被覆切削工具，所述覆膜包括包含多個α-Al₂O₃的晶粒的α-Al₂O₃層，所述α-Al₂O₃層包括在厚度方向上位于基材側并且厚度為1μm的下層部分，以及位于與所述基材側相對的表面?zhèn)炔⑶液穸葹?μm的上層部分。對于沿著包括所述α-Al₂O₃層的表面的法線的平面切割所述α-Al₂O₃層而獲得的截面，當通過場發(fā)射型掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對所述截面進行電子束背散射衍射(EBSD)分析從而指定所述晶粒各自的晶體取向，并且基于所述晶體取向制作彩色圖時，在所述彩色圖中，在所述上層部分中，(001)面的法線方向相對于所述α-Al₂O₃層的表面的法線方向在±10°之內的晶粒所占據(jù)的面積為90％以上，并且在所述下層部分中，(001)面的法線方向相對于所述α-Al₂O₃層的表面的法線方向在±10°之內的晶粒所占據(jù)的面積為50％以下。根據(jù)這種α-Al₂O₃層，位于表面?zhèn)鹊纳蠈硬糠帜茱@示出高耐磨性，并且位于基材側的下層部分能顯示出與基材的高密著性。因此，根據(jù)[1]的表面被覆切削工具實現(xiàn)了優(yōu)異的機械特性和更長的使用壽命。

[2]在上述表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述α-Al₂O₃層的應力分布在厚度方向上發(fā)生變化，所述α-Al₂O₃層的表面?zhèn)染哂袎嚎s殘余應力，并且所述α-Al₂O₃層的基材側具有拉伸殘余應力。在這種情況下，進一步延長了表面被覆切削工具的使用壽命。

[3]在[2]中所述的表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述應力分布具有：第一區(qū)域，其中由所述表面?zhèn)认蛑龌膫?，所述壓縮殘余應力的絕對值連續(xù)增加：以及相對于所述第一區(qū)域位于所述基材側的第二區(qū)域，其中在所述第二區(qū)域中，由所述表面?zhèn)认蛑龌膫?，所述壓縮殘余應力的絕對值連續(xù)降低并轉變?yōu)樗隼鞖堄鄳?，并且隨后所述拉伸殘余應力的絕對值連續(xù)增加，并且所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域是連續(xù)的，其中所述壓縮殘余應力的絕對值為最大值的中間點介于所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間。這樣的表面被覆切削工具在耐磨性和耐破損性之間實現(xiàn)了優(yōu)異的均衡性。

[4]在[2]和[3]中所述的表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述α-Al₂O₃層的所述壓縮殘余應力的絕對值為1000MPa以下，并且所述α-Al₂O₃層的所述拉伸殘余應力的絕對值為2000MPa以下。這樣的表面被覆切削工具在耐磨性和耐破損性之間實現(xiàn)了優(yōu)異的均衡性。

[5]在所述表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述覆膜包括位于所述基材和所述α-Al₂O₃層之間的第一中間層，并且所述第一中間層為TiCN層。由于所述TiCN層具有高的硬度，因此包括具有這種第一中間層的覆膜的表面被覆切削工具具有優(yōu)異的耐磨性。

[6]在[5]中所述的表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述覆膜包括位于所述第一中間層和所述α-Al₂O₃層之間的第二中間層，所述第二中間層為TiCNO層或TiBN層，并且所述第二中間層的最大厚度與最小厚度之差為0.3μm以上。由于這種第二中間層能表現(xiàn)出作為錨(anchor)的作用，從而實現(xiàn)了α-Al₂O₃層和第一中間層間的緊密接觸，因此可以增強覆膜的抗剝離能力。因此，包括具有這種第二中間層的覆膜的表面被覆切削工具具有優(yōu)異的耐破損性。

[7]在所述表面被覆切削工具中，優(yōu)選地，所述覆膜包括位于最外表面的表面層，并且所述表面層為TiC層、TiN層或TiB₂層。由此提高了覆膜的韌性。

[本發(fā)明的實施方案的細節(jié)]

雖然下面將描述本發(fā)明的一個實施方案(以下也記為“本實施方案”)，但本發(fā)明實施方案不局限于此。

[表面被覆切削工具]

參照圖1，根據(jù)本實施方案的表面被覆切削工具10(以下，簡單地表示為“工具10”)具有前刀面1、后刀面2、以及前刀面1與后刀面2彼此相交處的切削刃棱線部分3。即，前刀面1和后刀面2的表面彼此相連，并且切削刃棱線部分3夾在前刀面1和后刀面2之間。切削刃棱線部分3構成了工具10的切削刃尖端部。工具10的這種形狀取決于以下將描述的基材的形狀。

盡管圖1示出代表了車削加工用替換型刀片的工具10，但是工具10不限于此，并且該工具可以適當?shù)赜米鳛橐韵虑邢鞴ぞ撸玢@頭、端銑刀、鉆頭用替換型切削刀片、端銑刀用替換型切削刀片、銑削用替換型切削刀片、金工鋸、齒輪切削刀具、鉸刀和絲錐。

當工具10為替換型刀片時，工具10可以具有斷屑器或不具有斷屑器，且切削刃棱線部分3可具有銳邊(前刀面與后刀面彼此相交處的棱)、可以經(jīng)過珩磨(具有R的銳邊)、可以具有負刃帶(negative land)(斜削的)，并且可以經(jīng)過珩磨且具有負刃帶。

參照圖2，工具10具有基材11和形成在基材11上的覆膜12。盡管覆膜12優(yōu)選覆蓋工具10中的基材11的全部表面，但是基材11的一部分未被覆膜12覆蓋或者覆膜12具有部分不同的構成也沒有背離本實施方案的范圍。

[基材]

參見圖2，根據(jù)本實施方案的基材11具有前刀面11a、后刀面11b和前刀面11a與后刀面11b彼此相交處的切削刃棱線部分11c。前刀面11a、后刀面11b和切削刃棱線部分11c分別構成了工具10的前刀面1、后刀面2和切削刃棱線部分3。

可以采用任何常規(guī)已知的此類基材作為基材11。這類基材優(yōu)選的例子為硬質合金(例如，WC系硬質合金，其不僅包含WC還包含Co，或者可以向其中添加Ti、Ta或Nb的碳氮化物)、金屬陶瓷(主要由TiC、TiN或TiCN構成)、高速鋼、陶瓷(碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁或氧化鋁)、立方氮化硼燒結體或金剛石燒結體。在這些不同的基材中，特別優(yōu)選的是選擇WC系硬質合金或金屬陶瓷(特別是TiCN系金屬陶瓷)。這是因為這些基材在高溫下的硬度和強度的均衡性特別優(yōu)異，并且作為針對上述用途的表面被覆切削工具的基材具有優(yōu)異特性。

[覆膜]

根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12包括至少一層α-Al₂O₃層，將在下文中對α-Al₂O₃層進行詳細描述。覆膜12可以包括其他層，只要覆膜12包括α-Al₂O₃層即可。對其他層的組成沒有特別的限制，其例子可以包括TiC、TiN、TiB、TiBN、TiAlN、TiSiN、AlCrN、TiAlSiN、TiAlNO、AlCrSiCN、TiCN、TiCNO、TiSiC、CrSiN、AlTiSiCO或TiSiCN。對層疊的順序也沒有特別的限制。

根據(jù)本發(fā)明實施方案的這種覆膜12通過覆蓋基材11，從而具有提高耐磨性和耐破損性等各種特性的功能。

覆膜12的厚度優(yōu)選為3μm至35μm。當覆膜12的厚度為3μm以上時，可以抑制因覆膜12較小的厚度而導致工具的使用壽命縮短。當覆膜12的厚度為35μm以下時，可以提高切削初期階段的耐破損性。

下面將參照圖3描述覆膜12，該覆膜12代表了根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12的優(yōu)選構成的一個實例，其中在該覆膜12中，在由基材側向著覆膜12的表面?zhèn)鹊姆较蛏希B續(xù)層疊有下層13、第一中間層14、第二中間層15和α-Al₂O₃層。

[α-Al₂O₃層]

本發(fā)明實施方案中的α-Al₂O₃層16是包含多個α-Al₂O₃(晶體結構為α型的氧化鋁)的晶粒的層。即，該層由多晶α-Al₂O₃構成。通常情況下，這些晶粒的粒徑為約50nm至3000nm。

本發(fā)明實施方案中的α-Al₂O₃層16滿足以下要求。α-Al₂O₃層16包括位于厚度方向上的基材側并且厚度為1μm的下層部分、以及位于與基材側相對的表面?zhèn)炔⑶液穸葹?μm的上層部分。對于沿著包括α-Al₂O₃層的表面的法線的平面切割α-Al₂O₃層而獲得的α-Al₂O₃層的截面，當通過FE-SEM對該截面進行EBSD從而確定由α-Al₂O₃構成的晶粒的各自晶體取向，并且基于晶粒取向制作彩色圖時，在該彩色圖中，在上層部分中，相對于α-Al₂O₃層的表面的法線方向，(001)面的法線方向在±10°之內的晶粒(以下也稱為“(001)面取向晶?！?所占據(jù)的面積為90％以上；并且在下層部分中，(001)面取向晶粒所占據(jù)的面積為50％以下。

現(xiàn)在將根據(jù)圖2至4說明制作彩色圖的具體方法。圖4所示的α-Al₂O₃層16的下表面16b為位于圖3中的基材11側的表面，即，與第二中間層15相接觸的表面，并且上表面16a為位于與基材11側相對的覆膜12表面?zhèn)鹊谋砻妫处?Al₂O₃層16的表面。當在α-Al₂O₃層16上進一步形成另一表面層時，則將與該表面層接觸的表面定義為上表面16a。

首先，基于以下將描述的制造方法形成α-Al₂O₃層。然后，將所形成的α-Al₂O₃層(包括上述基材)切割以得到垂直于α-Al₂O₃層的截面(即，切割以裸露出切割面，該切割面是通過沿著包括α-Al₂O₃層表面的法線的平面切割α-Al₂O₃層而獲得的)。此后，利用耐水砂紙(其包含SiC顆粒磨料作為磨料)對切割面進行拋光。

例如，以下述方式切割α-Al₂O₃層：利用蠟等將α-Al₂O₃層16的表面(當在α-Al₂O₃層16上形成有另一層時，則為覆膜的表面)固定為與足夠大的保持用平板緊密接觸，此后沿著與平板垂直的方向，利用具有旋轉刀片的切削刀具切割α-Al₂O₃層(在使旋轉刀片與平板盡可能彼此垂直的條件下切割)。能夠切割α-Al₂O₃層16的任意部分，只要沿著這樣的垂直方向切割α-Al₂O₃層即可，然而如下文將描述的，優(yōu)選切割切削刃棱線部分附近的部分。

利用耐水性砂紙#400、#800和#1500進行連續(xù)拋光(耐水性砂紙的標號(#)表示磨料的粒度不同，標號越大表示磨料的粒度越小)。

然后，利用Ar離子通過離子研磨(ion milling)處理進一步將拋光表面平滑化。用于離子研磨處理的條件如下所述。

加速電壓：6kV

照射角度：與α-Al₂O₃層的表面的法線方向(即，與切割面處的α-Al₂O₃層的厚度方向平行的直線方向)呈0°

照射時間：6小時

然后，通過裝配有EBSD的FE-SEM(產(chǎn)品名：“SU6600”，由Hitachi High-Technologies Corporation制造)來觀察平滑處理后的截面(鏡面)，并且對獲得的觀察圖像進行EBSD分析。雖然對觀察位置沒有特別的限制，但考慮到與切削特性之間的關系，優(yōu)選為切削刃棱線部分附近的部分。

在EBSD分析中，通過將聚焦電子束分別定位到每個像素從而連續(xù)地收集數(shù)據(jù)。使樣品表面(α-Al₂O₃層的經(jīng)過平滑處理的截面)的法線相對于入射電子束傾斜70°，并在15kV下進行分析。為了避免帶電效果，施加了10Pa的壓力。根據(jù)60μm或120μm的開口徑設置高電流模式。在截面上，對于相當于50×30μm平面區(qū)域的500×300個點，以0.1μm/步長逐步(stepwise)收集數(shù)據(jù)。

通過利用市售軟件(商標名：“orientation Imaging microscopy Ver 6.2”，由EDAX公司開發(fā))對EBSD分析的結果進行分析，并且制作出彩色圖。具體地，確定α-Al₂O₃層16的截面中所包含的各晶粒的晶體取向A。此時所確定的各晶粒的晶體取向A為當沿著與截面垂直的方向(圖4中穿過紙面的方向)平面查看出現(xiàn)于α-Al₂O₃層16的截面中的各晶粒時所觀察到的平面取向。然后，基于所得到的各晶粒的晶體取向A，確定在垂直于α-Al₂O₃層16的表面的方向上的各晶粒的平面取向。然后基于所確定的平面取向制作彩色圖。可以用上述軟件中所包括的根據(jù)“Crystal Direction MAP”的技術來制作彩色圖。對在切割面中所觀察到的α-Al₂O₃層16的整個區(qū)域制作彩色圖。

在圖4中，實線所包圍的各陰影區(qū)域表示(001)面取向晶粒，實線所包圍的各非陰影區(qū)域表示(001)面的法線方向為除前者之外方向的晶粒。即，在圖4中，在α-Al₂O₃層16的表面的法線方向上的平面取向為(001)面以及偏離(001)面10°以下的面的晶粒被打上陰影，而在α-Al₂O₃層16的表面的法線方向上的平面取向并非前者的表面的晶粒未打陰影。圖4中顯示為黑色的區(qū)域認為是通過上述方法并未指定晶體取向的晶粒區(qū)域。

在圖4中，由虛擬直線S1向著α-Al₂O₃層16的基材方向的線性尺寸(最短距離)d₁為2μm，這是上層部分16A的厚度。在圖4中，由虛擬直線S2向著α-Al₂O₃層16的表面方向的線性尺寸(最短距離)d₂為1μm，這是下層部分16B的厚度。即，將α-Al₂O₃層16中由位于表面?zhèn)鹊谋砻嫦騼妊由?μm的區(qū)域定義為上層部分16A，并且將α-Al₂O₃層16中由位于基材側的表面向內延伸1μm的區(qū)域定義為下層部分16B。虛擬直線S1和S2是近似于由α-Al₂O₃層16的表面所限定的各邊緣的直線。

在彩色圖中，在上層部分16A中，相對于整個上層部分16A的面積，(001)面取向的晶粒的總面積的比例為90％以上，而在下層部分16B中，相對于整個下層部分16B的面積，(001)面取向的晶粒的總面積的比例為50％以下。

包括滿足上述要求的α-Al₂O₃層16的工具10具有優(yōu)異的機械性能和更長的使用壽命，下面將對照常規(guī)技術對此進行描述。

為了提高α-Al₂O₃層的機械特性，常規(guī)采用的方法通過控制位于α-Al₂O₃層的表面的各晶體的性質，從而提高α-Al₂O₃層的特性，并由此提高具有該α-Al₂O₃層的覆膜的特性。這些常規(guī)方法基于這樣的一種觀念，即：在切削過程中，接收到所施加的載荷最多的是α-Al₂O₃層的表面，并且通過控制這一部分的特性從而控制整個α-Al₂O₃層的特性。因此，α-Al₂O₃層厚度方向上的構成沒有受到人們的重視。尤其是，由化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)制作的層的均勻性的提高被認為是有利的，因此厚度方向沒有受到人們的重視。

然而，本發(fā)明人認為僅僅通過常規(guī)方式并不能實現(xiàn)在延長切削工具使用壽命方面上的突破。然后，本發(fā)明人關注于α-Al₂O₃層的厚度方向上的各晶體的性質并進行了各種研究，并且發(fā)現(xiàn)，在形成α-Al₂O₃層的晶體中，位于基材側的晶體的性質顯著地有助于α-Al₂O₃層的密著性，即，耐破損性。

本發(fā)明人基于以上發(fā)現(xiàn)進行了進一步研究，并發(fā)現(xiàn)：當α-Al₂O₃層中(001)面取向晶粒的面積比例增加時，α-Al₂O₃層的硬度本身傾向于升高，但是(001)面取向晶粒所占的面積過大時，則傾向于降低α-Al₂O₃層和其他層之間的密著性；并且通過改變α-Al₂O₃層中晶粒的取向，密著性相反地傾向于變高。

基于以上發(fā)現(xiàn)完成了根據(jù)本發(fā)明實施方案的工具10，并且該工具包括具有α-Al₂O₃層16的覆膜12，該α-Al₂O₃層16中的晶體結構在厚度方向存在特定的變化。具體而言，α-Al₂O₃層16具有厚度為2μm的上層部分16A和厚度為1μm的下層部分16B，其中上層部分16A中，(001)面取向晶粒所占據(jù)的面積為90％以上，并且下層部分16B中，(001)面取向晶粒所占據(jù)的面積為50％以下。

根據(jù)該α-Al₂O₃層16，在上層部分16A(其為在切削加工中易于出現(xiàn)裂紋的區(qū)域)中，可以抑制由于切削加工中施加的沖擊所造成的裂紋的發(fā)生，可以顯著提高切削工具的韌性，因此可以實現(xiàn)高耐磨性。可以實現(xiàn)與下層部分16B所接觸的層之間的高密著性。因此，由于根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12同時具有優(yōu)異的耐磨性和耐破損性這兩種特性，所以與常規(guī)實例相比，工具10實現(xiàn)了更好的機械性能，并具有更長的使用壽命。

在上述的本發(fā)明實施方案中，上層部分16A中的上述面積比更優(yōu)選為92％以上。對上層部分16A中的該面積比的上限值沒有特別限定，并且其可以設定為(例如)100％。下層部分16B中的上述面積比更優(yōu)選為45％以下。對下層部分16B中的所述面積比的下限值沒有特別限定，并且其可以設定為(例如)0％。

[α-Al₂O₃層的厚度]

本發(fā)明實施方案中α-Al₂O₃層16的厚度優(yōu)選為3μm至25μm。由此可以展示出上述優(yōu)異的效果。該厚度更優(yōu)選為3μm至22μm，并且進一步優(yōu)選為3μm至10μm。

當α-Al₂O₃層16的厚度小于3μm時，因α-Al₂O₃層16的存在而實現(xiàn)的耐磨性提高的程度傾向于較低。當該厚度超過25μm時，由于α-Al₂O₃層16和其他層之間的線性膨脹系數(shù)差異所導致的界面應力增加，從而α-Al₂O₃晶?？赡軙撀洹Ｒ虼?，當α-Al₂O₃層16在上層部分16A和下層部分16B之間具有中間層部分時，中間層部分的厚度優(yōu)選為22μm以下。通過采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察基材11和覆膜12的垂直截面來確定該厚度。

在中間層部分中，彩色圖中的取向晶粒的比例優(yōu)選為50％以上。在這種情況下，可以抑制由于中間層的存在所帶來的α-Al₂O₃層16的硬度的下降。中間層中的上述比例更優(yōu)選為90％以上，進一步優(yōu)選為92％以上。

[α-Al₂O₃層中的應力分布]

優(yōu)選地，在本發(fā)明實施方案中，α-Al₂O₃層16具有在厚度方向上變化的應力分布，其中在α-Al₂O₃層16的上表面16a側(即，表面?zhèn)?具有壓縮殘余應力，在α-Al₂O₃層16的下表面16b側(即，基材側)具有拉伸殘余應力。這樣的α-Al₂O₃層16能夠在切削加工中被直接施加沖擊的上表面16a側具有更高的硬度，并且能夠在與α-Al₂O₃層16的密著性相關的下表面16b側具有更高的密著性。這是因為：上表面16a側具有壓縮殘余應力，因而層的硬度傾向于較高；下表面16b側具有拉伸殘余應力，因而在下表面16b側的α-Al₂O₃層16與基材11之間的應力差傾向于較小。

此處的“壓縮殘余應力”和“拉伸殘余應力”是指存在于層中的內部應力(固有應變)的一種。壓縮殘余應力是指由“-”(減號)的數(shù)值(本文中，該數(shù)值的單位為“MPa”)所表示的應力。因此，大的壓縮殘余應力的概念是指數(shù)值的絕對值大，并且小的壓縮殘余應力的概念是指數(shù)值的絕對值小。拉伸殘余應力是指由“+”(加號)的數(shù)值(本文中，該數(shù)值的單位為“MPa”)所表示的應力。因此，大的拉伸殘余應力的概念是指該數(shù)值增加，并且小的拉伸殘余應力的概念是指該數(shù)值減少?？梢岳贸Ｒ?guī)已知的使用X射線的sin²ψ法以及恒定貫入深度(constant penetration depth)法確定α-Al₂O₃層16中的應力分布。

圖5示出了優(yōu)選應力分布的一個實例。在圖5的曲線圖中，縱軸表示殘余應力，橫軸表示α-Al₂O₃層16的厚度方向上的位置?？v軸上的“-”值意味著在α-Al₂O₃層16中存在著壓縮殘余應力，“+”值意味著在α-Al₂O₃層16中存在著拉伸殘余應力，數(shù)值“0”意味著在α-Al₂O₃層16中不存在應力。

參照圖4和圖5，優(yōu)選地，α-Al₂O₃層16的厚度方向上的應力分布具有第一區(qū)域P₁和相對于第一區(qū)域位于下表面16b側的第二區(qū)域P₂，其中在第一區(qū)域P₁中，由上表面16a側(表面?zhèn)?向著下表面16b(基材側)，壓縮殘余應力的絕對值連續(xù)增加，在第二區(qū)域P₂中，由上表面16a側向著下表面16b，壓縮殘余應力的絕對值連續(xù)降低并轉變?yōu)槔鞖堄鄳?，并且隨后拉伸殘余應力的絕對值連續(xù)增加，并且第一區(qū)域和第二區(qū)域是連續(xù)的，其中壓縮殘余應力的絕對值為最大值的中間點P₃介于第一區(qū)域和第二區(qū)域之間。相對于下表面16b，中間點P₃的位置更接近于上表面16a。

由于α-Al₂O₃層16具有如上所述的應力分布，因此斷續(xù)切削時α-Al₂O₃層16的耐磨性和耐破損性之間實現(xiàn)了更好的均衡性，這是因為：由α-Al₂O₃層16的上表面16a側向著α-Al₂O₃層16施加的沖擊被位于上表面16a與中間點P₃之間的區(qū)域充分吸收，并且在相對于中間點P₃的下表面16b側顯示出了高密著性。

特別地，在本發(fā)明實施方案的α-Al₂O₃層16中，位于上表面16a側的上層部分16A的(001)面具有高取向性，并且取向晶粒所占的面積為90％以上。由于存在具有高壓縮殘余應力的這一部分，傾向于具有優(yōu)異的耐磨性和韌性這兩種性能。位于下表面16b側的下層部分16B的(001)面具有低取向性，并且取向的晶粒所占的面積為50％以下。由于存在具有拉伸殘余應力的這一部分，傾向于進一步提高該部分與其所接觸的層之間的密著性。

在應力分布中，優(yōu)選的是，壓縮殘余應力的絕對值為1000MPa以下(即，-1000MPa以上且小于0MPa)，并且拉伸殘余應力的絕對值為2000MPa以下(即，大于0MPa且2000MPa以下)。在這種情況下，傾向于適當?shù)仫@示出耐磨性和耐破損性這兩種特性。

在應力分布中，優(yōu)選的是，由上表面16a延伸至距離(直線距離)為α-Al₂O₃層16的厚度的5％至50％的位置這一范圍具有壓縮殘余應力，該區(qū)域以外的區(qū)域具有拉伸殘余應力。同樣在這種情況下，耐磨性和耐破損性之間的均衡性也特別良好。該距離更優(yōu)選設為5％至45％，并且進一步優(yōu)選設為10％至40％。

中間點P₃的位置優(yōu)選為與上表面16a之間的距離為α-Al₂O₃層16的厚度的0.1％至40％。在這種情況下，α-Al₂O₃層16的損傷形式是穩(wěn)定的，并且例如，可以抑制突然斷裂，并且可以減少工具10使用壽命的變化。例如，當α-Al₂O₃層16的厚度為3μm至10μm時，中間點P₃與上表面16a間的距離優(yōu)選為0.5μm至2μm。中間點P₃處的壓縮殘余應力的絕對值優(yōu)選為100MPa至900MPa，更優(yōu)選為200MPa至890MPa，進一步優(yōu)選為350MPa至890MPa。

[第一中間層]

回到圖3，根據(jù)本發(fā)明實施方案覆膜12在基材11和α-Al₂O₃層16之間具有作為第一中間層14的TiCN層。由于TiCN層的耐磨性優(yōu)異，因此可以進一步提高覆膜12的耐磨性。

[第二中間層]

參照圖3，根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12在第一中間層14和α-Al₂O₃層16之間具有第二中間層15。如圖6所示，第二中間層15優(yōu)選由針狀晶體形成。

針狀晶體是指由于晶體的生長方向沿著一個方向延伸從而具有類似于針狀的細長形狀的晶體。如圖6所示，由針狀晶體形成的層的特征在于其厚度變化明顯，并具有復雜的表面形狀，因此對于其所接觸的層可以顯示出作為錨的效果。因此，借助于位于基材11和α-Al₂O₃層16之間的第二中間層15，α-Al₂O₃層16不易于從基材11上剝落下來，從而進一步提高了包括覆膜12的工具10的耐破損性。

第二中間層15優(yōu)選為由TiCNO層或TiBN層形成，這是因為TiCNO和TiBN更可能形成針狀晶體。第二中間層15的最大厚度d₃與最小厚度d₄之差優(yōu)選為0.3μm以上。在這種情況下，可以有效地顯示出上述特性。所述差優(yōu)選為1.0μm以下。當所述差超過1.0μm時，第二中間層15的形狀可能會不利地影響覆膜12的形狀?？梢酝ㄟ^配有EBSD的FE-SEM來確定所述差。

[下層]

參照圖3，根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12具有與基材11相接觸的下層13。通過采用(例如)TiN層作為下層13可以進一步提高基材11與覆膜12之間的密著性。

[其他層]

根據(jù)本發(fā)明實施方案的覆膜12可以具有位于α-Al₂O₃層16上的表面層。表面層優(yōu)選由TiC層、TiN層或TiB₂層形成。雖然α-Al₂O₃層16的上表面16a的(001)面具有高取向性，然而在這種α-Al₂O₃層16上形成的TiC層、TiN層和TiB₂層能夠尤其有效地抑制斷續(xù)切削時的裂紋傳播。因此，包括具有這樣的組成的表面層的覆膜12在提高韌性方面是有利的。其中，TiN層顯示出明顯的金色，因此容易識別出切削使用后的切削刃，這在成本效率方面是有利的。

[制造方法]

能夠通過在基材11的表面上制作覆膜12從而制造根據(jù)上述本發(fā)明實施方案的工具10?？梢酝ㄟ^使用圖7中示出的化學氣相沉積(CVD)裝置并通過CVD方法來形成覆膜12。

參照圖7，CVD裝置30包括：多個用于保持基材11的基材固定夾具(setting jig)31；以及包裹基材固定夾具31的由耐熱合金鋼制成的反應容器32。在反應容器32的周圍，設置有用于控制反應容器32內的溫度的恒溫器33。在反應器32中設有具有氣體導入口34的氣體導入管35。氣體導入管35布置為在配置有基材固定夾具31的反應容器32的內部空間中沿垂直方向延伸，并且氣體導入管35具有用于將氣體噴入反應容器32中的多個噴射孔36?？赏ㄟ^使用該CVD裝置30并通過如下方式形成各層。

首先，將基材11布置于基材固定夾具31上，并且在將反應容器32中的溫度和壓力控制在預定范圍內的同時，將下層13用原料氣體由氣體導入管35導入反應容器32中。由此在基材11的表面上制作了下層13。類似地，通過將第一中間層14用原料氣體和第二中間層15用原料氣體相繼導入反應容器32中，從而相繼形成第一中間層14和第二中間層15。

例如，在TiN層的制造過程中，可使用TiCl₄和N₂作為原料氣體。在TiCN層的制造過程中，可使用TiCl₄、N₂和CH₃CN。在TiCNO層的制造過程中，可使用TiCl₄、N₂、CO和CH₄。

在形成各層時，反應容器32中的溫度優(yōu)選控制在1000℃至1100℃，并且反應容器32中的壓力優(yōu)選控制為0.1hPa至1013hPa。HCl可以與原料氣體一起導入。通過導入HCl，可以改善層厚度的均勻性。優(yōu)選使用H₂作為載氣。在導入氣體時，優(yōu)選借助于未示出的驅動部使氣體導入管35旋轉。由此可使各氣體均勻分布在反應容器32中。

可以通過中溫(MT)-CVD形成所述層中的至少一層。與在1000℃至1100℃的溫度下進行的CVD(以下也稱為“HT-CVD”)不同，MT-CVD是一種在反應容器32中的溫度維持在850℃至950℃的相對溫和的溫度的情況下形成層的方法。由于相比于HT-CVD，MT-CVD在相對較低的溫度下進行，因此可以減少由于加熱所帶來的對基材11的損傷。特別地，優(yōu)選使用MT-CVD形成TiCN層。

然后，在第二中間層15上形成α-Al₂O₃層16。能夠通過包括以下第一α-Al₂O₃形成步驟和第二α-Al₂O₃形成步驟的CVD來形成根據(jù)本發(fā)明實施方案的α-Al₂O₃層16。特別地，通過進一步進行壓縮殘余應力賦予步驟可以形成具有上述應力分布的α-Al₂O₃層16。下面將依次說明第一α-Al₂O₃形成步驟、第二α-Al₂O₃形成步驟以及壓縮殘余應力賦予步驟。

首先，進行第一α-Al₂O₃形成步驟。采用AlCl₃、N₂、CO₂和H₂S作為原料氣體。在此，對于CO₂和H₂S的流速(升/分鐘)，將流速比設置為滿足CO₂/H₂S≥2。由此形成了具有上述取向的下層部分16B。CO₂和H₂S的優(yōu)選流速分別為0.4升/分鐘至2.0升/分鐘和0.1升/分鐘至0.8升/分鐘，最優(yōu)選分別為1升/分鐘和0.5升/分鐘。雖然對于CO₂/H₂S的上限值沒有特別地限制，但從層厚度的均勻性的觀點來看，上限值優(yōu)選為5以下。

在第一α-Al₂O₃形成步驟中，控制成膜時間以形成厚度為至少1μm的α-Al₂O₃層，這是因為在第一α-Al₂O₃形成步驟中形成的α-Al₂O₃層中，最下部(與第二中間層15相接觸的一側定義為下側)α-Al₂O₃層作為下層部分16B。因此，將第一α-Al₂O₃形成步驟中的成膜時間設置為5分鐘以上。當成膜時間過長時，會形成硬度相對較低的厚層，就覆膜12的硬度來說這不是優(yōu)選的。因此，將第一α-Al₂O₃形成步驟中的成膜時間設置為30分鐘以下。

當在第一α-Al₂O₃形成步驟中形成厚度超過1μm的α-Al₂O₃層時，將厚度為1μm的最下層視為下層部分16B，并將除該部分以外的其他部分視為中間層部分(第一中間層部分)。

其次，進行第二α-Al₂O₃形成步驟。采用AlCl₃、N₂、CO₂和H₂S作為原料氣體。在此，對于CO₂氣體和H₂S氣體的流速(升/分鐘)，將流速比設置為滿足0.5≤CO₂/H₂S≤1。由此形成了具有上述取向的上層部分16A。

在第二α-Al₂O₃形成步驟中，控制成膜時間以形成厚度為至少2μm的α-Al₂O₃層，這是因為在第二α-Al₂O₃形成步驟中形成的α-Al₂O₃層中，最上部分(覆膜12的表面形成側定義為上側)的α-Al₂O₃層作為上層部分16A。因此，將第二α-Al₂O₃形成步驟中的成膜時間設置為30分鐘以上。雖然對于成膜時間的上限值沒有特別地限制，但是α-Al₂O₃層16過厚會導致晶粒脫落的可能。因此，第二α-Al₂O₃形成步驟中的成膜時間優(yōu)選設置為500分鐘以下。

當在第二α-Al₂O₃形成步驟中形成厚度超過2μm的α-Al₂O₃層時，將厚度為2μm的最上層視為上層部分16A，并將除該部分以外的其他部分視為中間層部分(第二中間層部分)。

在第一α-Al₂O₃形成步驟和第二α-Al₂O₃形成步驟中，反應容器32中的溫度優(yōu)選控制為1000℃至1100℃，并且反應容器32中的壓力優(yōu)選控制為0.1hPa至100hPa。可以將HCl與上述原料氣體一起導入，并且可以采用H₂作為載氣。在氣體導入時，與上述類似，優(yōu)選使氣體導入管35旋轉。

再次，由表面?zhèn)?上表面16a側)對形成的α-Al₂O₃層16進行噴砂處理，從而賦予α-Al₂O₃層16以壓縮殘余應力(壓縮殘余應力賦予步驟)。雖然由CVD法形成的層一般傾向于具有拉伸殘余應力，但在本步驟中可以賦予α-Al₂O₃層16的表面?zhèn)纫詨嚎s殘余應力，從而制作了具有上述應力分布的α-Al₂O₃層16。

在噴砂處理中通過控制介質的噴射壓力、噴射時間和噴射距離，可以控制應力分布中的中間點P₃的有無和位置(與上表面16a間的距離)?？梢酝ㄟ^控制噴射時間從而控制具有壓縮殘余應力的區(qū)域，由此可以從上表面16a賦予在α-Al₂O₃層16的厚度方向上的所需區(qū)域以壓縮殘余應力。

當覆膜12具有在α-Al₂O₃層16的上表面16a上形成的表面層時，優(yōu)選在表面層形成之后再進行壓縮殘余應力賦予步驟，這是因為，為了在壓縮殘余應力賦予步驟之后形成表面層，需要關閉CVD裝置30并且應當將基材11從反應容器32中取出，這會使制造過程繁復。由于該表面層應當只保留在工具10的部分表面上，因此可在噴砂處理中將表面層部分去除。

通過上述制造方法，可以制造覆膜12，因此可以制造包括覆膜12的工具10。

當在α-Al₂O₃層的基材側，(001)面取向晶粒所占的面積比例也較高時，則與α-Al₂O₃層的基材側表面接觸的層的組成等傾向于受到限制。當所接觸的層為多晶時，則可能難以在該層上形成高度取向的α-Al₂O₃層。與此相反，由于本發(fā)明實施方案中的α-Al₂O₃層16具有其中(001)面取向晶粒的面積比例為50％以下的下層部分16B，因此不受上述限制。

通過控制制造方法中的CVD的各項條件，從而改變各層的性質。例如，通過導入反應容器32中的原料氣體的組成從而決定各層的組成，并且通過控制實施時間(成膜時間)從而控制各層的厚度。第二中間層優(yōu)選由針狀晶體制成，并且通過控制原料氣體的流速和成膜溫度可使晶體形狀類似于針狀。通過控制成膜時的壓力，可以使針狀晶體的長度變得不均一，從而可以產(chǎn)生如上所述的最大厚度d₃與最小厚度d₄之差。特別地，在α-Al₂O₃層16中，可以通過控制原料氣體中CO₂氣體和H₂S氣體的流量比(CO₂/H₂S)來改變厚度方向上的晶體取向。

實施例

雖然將參照實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于此。樣品No.1至12對應于實施例，樣品No.13至20代表比較例。

[樣品的制作]

首先說明樣品No.1的制作。準備由TaC(2.0質量％)、NbC(1.0質量％)、Co(10.0質量％)和WC(余量)(并且含有不可避免的雜質)組成的硬質合金制刀片(形狀：CNMG120408-UX，住友電氣硬質合金株式會社制，JIS B4120(2013))作為基材。通過使用CVD裝置，在所準備的基材上依次形成下層、第一中間層、第二中間層、Al₂O₃層及表面層，從而在基材的表面上制作了覆膜。用于形成各層的條件如下所示。在各種氣體的組成后的括號中，示出了各種氣體的流速(升/分鐘)

(下層：TiN層)

氣體：TiCl₄(5)、N₂(15)、H₂(45)

壓力和溫度：130hPa和900℃

(第一中間層：TiCN層)

氣體：TiCl₄(10)、N₂(15)、CH₃CN(1.0)、H₂(85)

壓力和溫度：90hPa和860℃(MT-CVD)

(第二中間層：TiCNO層)

氣體：TiCl₄(0.003)、CH₄(2.2)、N₂(6.7)、CO(0.5)、HCl(1.5)、H₂(40)

壓力和溫度：180hPa和1010℃

(α-Al₂O₃層)

(1)第一α-Al₂O₃形成步驟中的CVD條件

氣體：AlCl₃(2.5)、CO₂(1.3)、H₂S(0.4)、H₂(40)

壓力和溫度：80hPa和1000℃

(2)第二α-Al₂O₃形成步驟中的CVD條件

氣體：AlCl₃(3)、CO₂(1.0)、H₂S(1.4)、H₂(38)

壓力和溫度：80hPa和1000℃

(表面層：TiB₂層)

氣體：TiCl₄(9)、BCl₃(1.0)、HCl(0.6)、H₂(30)

壓力和溫度：70hPa和1000℃

然后，對代表車削加工用替換型刀片的形成有覆膜的基材進行以下的噴砂處理。使刀片以100rpm旋轉的同時，利用0.15MPa的壓縮空氣(噴射壓力)使平均粒徑為50μm的氧化鋁制小球沿著相對于切削刃棱線部分呈45°的方向均勻碰撞前刀面和后刀面達5秒。

如上所述制作了樣品No.1的工具。通過在類似的基材上形成由下層、第一中間層、第二中間層、α-Al₂O₃層及表面層構成的覆膜，從而制作根據(jù)各樣品No.2至20的各工具。在各樣品中，通過改變用于形成第二中間層及表面層的原料氣體，從而適當?shù)馗淖兊诙虚g層及表面層的組成。表1顯示了在各個樣品中形成覆膜的各層的組成及厚度。通過適當調節(jié)成膜時間來調整各層的厚度。

表1

對于第二中間層及α-Al₂O₃層，除了原料氣體和成膜時間外，還適當改變了其它的條件。具體而言，如表2所示，改變了第二中間層的成膜壓力。由此，如表2所示，各樣品中由針狀晶體形成的第二中間層的最大厚度與最小厚度之差是不同的。

表2

對于α-Al₂O₃層，如表3所示，通過改變導入氣體CO₂和H₂S的流速比(CO₂/H₂S)來控制上層部分和下層部分中的取向度。對于所有樣品No.1至20，第一α-Al₂O₃形成步驟進行30分鐘，然后第二α-Al₂O₃形成步驟進行預定時間。然后采用上述方法獲得所形成的上層部分和下層部分中(001)面取向晶粒所占的面積比例(％)。表3示出了結果。在表3中“第一”欄和“第二”欄分別表示第一α-Al₂O₃形成步驟和第二α-Al₂O₃形成步驟中CO₂和H₂S的流速比。

表3

參見表3，在樣品No.1至12中，在由上述方法制作的彩色圖中，上層部分中(001)面取向晶粒所占的面積比例為90％以上，并且下層部分中(001)面取向晶粒所占的面積比例為50％以下。

樣品No.13至20中的任何一個樣品均不滿足如下條件，即：上層部分中(001)面取向晶粒所占的面積比例為90％以上，并且下層部分中(001)面取向晶粒所占的面積比例為50％以下。

在樣品No.1至20的制作中，還改變了噴砂處理的條件。表4示出了各樣品的噴砂處理條件。通過上述sin²ψ方法測量了在α-Al₂O₃層的厚度方向上的深度(與上表面間的距離)不同的任意六個點處的殘余應力。表4示出了距離上表面0.5μm的位置(表4中的“上表面?zhèn)取?處的殘余應力、以及距離下表面0.5μm的位置(表4中的“下表面?zhèn)取?處的殘余應力。測定各深度處的任意三個點的殘余應力，并將其平均值定義為各深度處的殘余應力。

基于殘余應力的測定結果從而確定各樣品中是否存在第一區(qū)域P₁和第二區(qū)域P₂，并對已證實第一區(qū)域P₁和第二區(qū)域P₂的樣品中是否存在中間點P₃進行判斷?；跍y定結果，計算在α-Al₂O₃層的厚度方向上，具有壓縮殘余應力的區(qū)域的厚度相對于α-Al₂O₃層的厚度的比例(％)。表4示出了這些結果。

表4

參見表4，因為噴砂處理中的噴射壓力較低，因此在樣品No.9、10和17中不存在中間點P₃。即，在樣品No.9、10和17中，觀察到了這樣的應力分布，即：由上表面?zhèn)?表面?zhèn)?向著下表面(基材)，殘余應力由壓縮殘余應力逐漸變?yōu)槔鞖堄鄳?。由于未對樣?3至16進行噴砂處理，因此在α-Al₂O₃層中沒有觀察到上述的應力分布，并且拉伸殘余應力僅僅存在于上表面?zhèn)群拖卤砻鎮(zhèn)葍烧咧稀?/p>

在觀察到了中間點P₃的樣品No.1至8、11、12和18至20中，中間點P₃的位置距離α-Al₂O₃層的表面0.5μm。因此，表4中的“上表面?zhèn)取币粰谥酗@示的數(shù)值表示各樣品中α-Al₂O₃層中的壓縮殘余應力的最大值。

[評價1：耐破損性]

將各樣品的刀片裝載在型號為PCLNR2525-43的切削工具(住友電氣工業(yè)株式會社制)上，并且評價其在對合金鋼的反復車削中的耐破損性。

切削加工的條件如下所述。將每個樣品的20個刀片用于車削20秒，計算全部20個刀片中發(fā)生損壞的刀片的比例(個數(shù))作為損壞率(％)。結果如表5所示。表5中的損壞率(％)越低，表示耐破損性越好。

工件材料：SCM440(具有6個凹槽，φ350mm)

切削速度：120m/分鐘

切削深度：2.0mm

切削油：未使用

[評價2：耐磨性]

將各樣品的刀片裝載在型號為PCLNR2525-43的切削工具(住友電氣工業(yè)株式會社制)上，評價其在對合金鋼的反復車削中的耐磨性。

車削條件如下。將每個樣品的20個刀片用于車削15分鐘，測量全部20個刀片的后刀面?zhèn)鹊哪p量Vb(mm)，并計算出各樣品的平均值。結果如表5所示。表5中的Vb(mm)值越小，表示耐磨性越好。

工件材料：SCr420H(φ250mm)

切削速度：280m/分鐘

切削深度：2.0mm

進給速度：0.2mm/轉

切削油：水溶性油

表5

參見表5，與樣品No.13至20相比，在樣品No.1至12中確認到了更高的耐破損性和更高的耐磨性。在樣品No.1至12中，在上層部分中，(001)面取向晶粒所占的面積比例為90％以上，并且在下層部分中，(001)面取向晶粒所占的面積比例為50％以下，而樣品No.13至20不滿足這些條件。從這些結果可以確認，代表本發(fā)明實施方案的一個實例的樣品No.1至12的刀片具有高耐破損性和高耐磨性，因此機械特性優(yōu)異并具有穩(wěn)定的長使用壽命。

因為樣品No.13和16的下層部分中的(001)面取向晶粒所占的面積比例為50％以下，因此預期其具有優(yōu)異的耐破損性。然而，在評價1中，其破損率為100％。其損壞的方面并非是α-Al₂O₃層從基材上剝離下來，而是由α-Al₂O₃層自身破壞而引起的損壞，這是因為不存在與有助于賦予硬度的上層部分相對應的層。

應當理解的是，本文所公開的實施方案在每個方面都是示例性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由權利要求書的權項、而不是上述實施方案來限定，并且旨在包括與權利要求書的權項等同的范圍和含義內的任何修改。

符號的說明

1 前刀面；2 后刀面；3 切削刃棱線部分；10 表面被覆切削工具；11 基材；11a 前刀面；11b 后刀面；11c 切削刃棱線部分；12 覆膜；13 下層；14 第一中間層；15 第二中間層；16 α-Al₂O₃層；16a 上表面；16b 下表面；16A 上層部分；16B 下層部分；30 CVD裝置；31 基材固定夾具；32 反應容器；33 恒溫器；34 氣體導入口；35 氣體導入管；36 貫通孔；P₁第一區(qū)域；P₂ 第二區(qū)域；以及P₃ 中間點。