表面被覆切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種表面被覆切削工具，其特征在于：包括基材以及形成于所述基材上的覆膜，所述覆膜包括一層或多層，所述覆膜中與基材相鄰的層為TiN層，所述TiN層含有至少一種元素以及TiN，所述元素在TiN層的厚度方向上具有濃度分布，并且所述濃度分布包括這樣的區(qū)域，在該區(qū)域中，在由所述基材至所述覆膜表面?zhèn)鹊姆较蛏?，所述元素的濃度降低?br> 【專利說明】表面被覆切削工具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面被覆切削工具，其具有基材以及形成于該基材上的覆膜。

【背景技術(shù)】
[0002] 切削加工的最近趨勢包括（例如）從地球環(huán)境保護(hù)的角度考慮需要不使用切削油 的干式加工、待切削工件的多樣化、以及為了進(jìn)一步提高加工效率而提高切削速度。因此， 用于切削加工的切削工具的切削刃在切削加工過程中趨向于具有更高的溫度，并且工具材 料所要求具有的特性也變得越來越嚴(yán)苛。
[0003] 特別地，形成于工具表面的覆膜（例如，也稱作陶瓷覆膜或硬質(zhì)層）對于滿足對工 具材料的特性的這種要求而言是非常重要的因素。除了高硬度（耐磨性）和高溫穩(wěn)定性 (抗氧化性）以外，這種覆膜所需的特性還包括對基材的強(qiáng)接著性。
[0004] 為了提高覆膜對基材的接著性，日本專利公開No. 05-237707(專利文件1)提出 了在由硬質(zhì)合金制成的基材上形成多個覆膜，并在第一覆膜中擴(kuò)散W和Co。日本專利公開 No. 2002-331403 (專利文件2)提出了在基材的表面上形成凸起，并使覆膜在凸起的晶界上 偏析，由此獲得錨定效應(yīng)。
[0005] 引用列表
[0006] 專利文件
[0007] 專利文件1 :日本專利公開No. 05-237707
[0008] 專利文件2 :日本專利公開No. 2002-331403


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 技術(shù)問題
[0010] 根據(jù)專利文件1，第一覆膜的被覆溫度為700°C至800°C的低溫。因此，難以充分提 高基材與覆膜之間的接著性。根據(jù)專利文件2,覆膜沿基材表面上的凸起非均勻生長，并且 這種非均勻的晶體生長會導(dǎo)致更低的耐磨性和強(qiáng)度方面的問題。
[0011] 本發(fā)明鑒于上述當(dāng)前背景而進(jìn)行，并且本發(fā)明的目的在于提供基材與覆膜之間接 著性優(yōu)異的表面被覆切削工具。
[0012] 解決問題的手段
[0013] 為解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了充分的研究，從而發(fā)現(xiàn)通過以下方式可 進(jìn)一步提高所述接著性：將已知對基材的接著性優(yōu)異的TiN層布置為覆膜的最底層，即將 其布置在與基材鄰接的位置，并使構(gòu)成基材的成分?jǐn)U散至TiN層中，并在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上 進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而完成了本發(fā)明。
[0014] 具體而言，本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及形成于該基材上的覆膜，該 覆膜包括一層或兩層或更多層，這些層中與基材鄰接的層為TiN層，該TiN層含有至少一種 元素以及TiN，該元素在所述TiN層的厚度方向上具有濃度分布，并且該濃度分布包括以下 區(qū)域：在該區(qū)域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，所述元素的濃度降低。
[0015] 本發(fā)明的表面被覆切削工具主要包括以下兩個方面：第一方面和第二方面。第二 方面也可認(rèn)為是第一方面的下位概念。
[0016] 具體而言，本發(fā)明第一方面的表面被覆切削工具包括基材以及形成于該基材上的 覆膜，該覆膜包括一層或兩層或多層，這些層中與基材鄰接的層為TiN層，該TiN層含有C 以及TiN，C在TiN層的厚度方向上具有濃度分布，該濃度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中， 在由基材至覆膜的表面的方向上，C的濃度降低。
[0017] 優(yōu)選的是，所述濃度分布中C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選為10原子％，并且 C的最大濃度優(yōu)選為30原子％以下。
[0018] 優(yōu)選的是，所述濃度分布具有以下分布：其中在自基材起的方向上C的濃度降低， 之后達(dá)到極小點(diǎn)，此后在朝向覆膜的表面的方向上C的濃度增加，并且TiN層的厚度優(yōu)選為 0· 1 至 0· 5 μ m。
[0019] 優(yōu)選地，覆膜包括直接位于TiN層的TiCN層，該TiCN層含有TiCN，并且該TiCN層 中C的最大濃度為20原子％以上。
[0020] 優(yōu)選地，該覆膜還包括其他層，并且該其他層為由選自由元素周期表中的4族元 素（如11、21"、!^)、5族元素（如￥、恥、了 &)和6族元素（如0、1〇、1)、41和5丨構(gòu)成的組 中的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素所構(gòu)成的化合物制 成的一層或多層。
[0021] 該覆膜優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積形成，并且該基材優(yōu)選為硬質(zhì)合金。
[0022] 本發(fā)明第二方面的表面被覆切削工具包括基材以及形成于該基材上的覆膜，該基 材由硬質(zhì)合金制成，該覆膜包括一層或兩層或多層，這些層中與基材鄰接的層為TiN層，該 TiN層含有C、Co和TiN，C和Co各自在TiN層的厚度方向上具有濃度分布，C的濃度分布 包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，C的濃度降低，并且Co的濃 度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，Co的濃度降低。
[0023] 優(yōu)選地，該TiN層中C和Co的原子比為：C為Co的兩倍以上，在C的濃度分布中， C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選為10原子％以上。
[0024] C的最大濃度優(yōu)選為30原子％以下，并且Co的最大濃度優(yōu)選為5原子％以下。優(yōu) 選地，C的濃度分布具有這樣的分布，其中在自基材起的方向上C的濃度降低，然后達(dá)到極 小點(diǎn)，其后在朝向覆膜表面的方向上增加，并且Co的濃度分布具有這樣的分布，其中在由 基材至覆膜表面的方向上，Co的濃度降低。
[0025] TiN層的厚度優(yōu)選為0. Iym至0.5 μπι。優(yōu)選地，覆膜包括直接位于TiN層上的 TiCN層，該TiCN層含有TiCN，并且該TiCN層中C的最大濃度為20原子％以上。
[0026] 優(yōu)選地，該覆膜還包括其他層，并且該其他層為由選自由元素周期表中4族元素 (如11、21"、!^)、5族元素（如￥、吣、了 &)和6族元素（如0、1〇、1)、41、和5丨構(gòu)成的組中 的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素構(gòu)成的化合物制成的 一層或多層。該覆膜優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積形成。
[0027] 發(fā)明的有益效果
[0028] 本發(fā)明的表面被覆切削工具具有上述特性，因此具有顯著優(yōu)異的效果，即基材與 形成于該基材表面上的覆膜之間的接著性優(yōu)異。由此，本發(fā)明的表面被覆切削工具在切削 加工中實現(xiàn)了長壽命。

【具體實施方式】
[0029] 以下將更詳細(xì)的說明本發(fā)明。
[0030] 〈表面被覆切削工具〉
[0031] 本發(fā)明的表面被覆切削工具的結(jié)構(gòu)包括基材以及形成于該基材上的覆膜。雖然優(yōu) 選該覆膜覆蓋基材的整個表面，但未能覆蓋部分基材的覆膜或具有部分不同結(jié)構(gòu)的覆膜并 不脫離本發(fā)明的范圍。
[0032] 本發(fā)明的這種表面被覆切削工具適用作切削工具，如鉆頭、端銑刀、鉆孔用可轉(zhuǎn)位 刀片、端銑削用可轉(zhuǎn)位刀片、銑削用可轉(zhuǎn)位刀片、車削用可轉(zhuǎn)位刀片、金工鋸、齒輪切削刀 具、鉸刀和絲錐等。
[0033] 以下，將分別對第一方面和第二方面的本發(fā)明的表面被覆切削工具進(jìn)行進(jìn)一步詳 細(xì)說明。
[0034]〈第一方面的表面被覆切削工具〉
[0035]〈基材〉
[0036] 作為用于本發(fā)明第一方面的表面被覆切削工具的基材，可使用任何常規(guī)已知的基 材，只要其含有碳即可。例如，所述基材優(yōu)選為硬質(zhì)合金（如WC基硬質(zhì)合金、含有WC和Co 的硬質(zhì)合金、以及含有WC和Co并還含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬質(zhì)合金）、金屬陶瓷 (主要成分為TiC、TiN或TiCN等）、高速鋼、陶瓷材料（如碳化鈦、碳化硅等）、以及金剛石 燒結(jié)體中的任意一者。
[0037] 在這些各式材料中，特別優(yōu)選硬質(zhì)合金，這是因為C可以容易地擴(kuò)散至TiN層中。
[0038] 在表面被覆切削工具為可轉(zhuǎn)位刀片等的情況中，基材可具有或不具有斷屑器，并 且刀刃棱線可成形為銳利刀刃（前刀面和后刀面相交處的棱線）、成形為珩磨刀刃（將銳利 刀刃加工磨圓（R))、成形為具有負(fù)倒棱（斜刃）或成形為具有珩磨刀刃和負(fù)倒棱的組合。
[0039] 〈覆膜〉
[0040] 本發(fā)明第一方面的覆膜由一層或兩層或多層形成。這種覆膜形成的目的通常為改 善切削工具的各種特性，如耐磨性、耐斷裂性等，和/或使使用過的切削刃具有辨識性。
[0041] 對該覆膜的厚度沒有特別限定，并且可以是（例如）3μπι至20μπι，更優(yōu)選為 4μπι至15 μ m。對于該覆膜，可使用任何常規(guī)已知的成形方法（沉積方法），如物理氣相沉 積（PVD)和化學(xué)氣相沉積（CVD)，而沒有特別限定。尤其優(yōu)選將化學(xué)氣相沉積用于形成該 覆膜，這是因為與物理氣相沉積等相比，化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用能夠提供相對高的沉積溫度 (800°C至1050°C )以及對基材的優(yōu)異接著性。
[0042] 〈TiN 層〉
[0043] 本發(fā)明第一方面的覆膜如上所述由一層或兩層或多層形成。在這些層中，與基材 鄰接的是TiN層。TiN層具有對各種基材中的任一種均具有優(yōu)異的接著性的優(yōu)異功能。
[0044] 在本發(fā)明第一方面中，該TiN層的特征在于：該TiN層含有C(碳）和TiCN，C在 TiN層的厚度方向上具有濃度分布，并且該濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆膜 表面的方向上C濃度降低。TiN層通過具有這些特性從而顯著提高了基材與覆膜之間的接 著性。
[0045] 以上的原因在于以下事實：基材中的C經(jīng)基材與TiN層之間的界面擴(kuò)散至TiN層 中，從而提高了基材與TiN層（覆膜）之間的接著性。雖然從提高接著性的觀點(diǎn)出發(fā)，如此 擴(kuò)散至TiN層中的C是一個重要因素，但C也具有使覆膜脆化的反作用。因此，從覆膜的強(qiáng) 度的觀點(diǎn)出發(fā)，C的存在是不優(yōu)選的。因此，根據(jù)本發(fā)明第一方面，通過這樣提供C以使得 C在TiN層的厚度方向上具有如下濃度分布，從而在這些彼此相反的功能之間進(jìn)行權(quán)衡，其 中在上述濃度分布中，隨著與基材間的距離越小，C的濃度越高，并且在朝向覆膜表面的方 向上，C的濃度降低。
[0046] SP，本發(fā)明第一方面中的TiN層的特征在于：該TiN層含有C以及TiN，C在TiN層 的厚度方向上具有濃度分布，并且該濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆膜表面 的方向上，C的濃度降低。
[0047] 此處，對C(碳）以何種形式存在于TiN層中沒有特別限定。據(jù)認(rèn)為，C以碳原子 的形式存在或者以在TiN中的C固溶體的形式存在。"包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆 膜表面的方向上，C的濃度降低"意思是在TiN層的厚度方向上的C濃度分布可包括這樣的 部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上C濃度降低，并且只要C濃度分布中包括這樣的部 分，則其也可以包括（例如）在厚度方向上C濃度恒定的部分、在朝向覆膜表面的方向上C 濃度增加的部分、或者不含C的部分。
[0048] 此外，在所述濃度分布中，C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選為10原子％以上。C 的最大濃度優(yōu)選為30原子％以下。這是由于，若C的最大濃度高于30原子％，則使覆膜脆 化的作用比提高接著性的作用更強(qiáng)，從而導(dǎo)致覆膜的強(qiáng)度降低。若C的最大濃度和最小濃 度之差小于10原子％，則不能充分體現(xiàn)提高接著性的作用。雖然對C的最大濃度的下限沒 有特別限定，但從充分體現(xiàn)提高接著性的作用的觀點(diǎn)出發(fā)，該下限優(yōu)選為5原子％以上。如 上所述，由于C的最大濃度優(yōu)選為30原子％以下，因此C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選 為15原子％以下。
[0049] 此處，C的濃度（原子％ )是指相對于構(gòu)成TiN層的全部原子的百分?jǐn)?shù)。
[0050] 另外，所述濃度分布優(yōu)選具有這樣的分布：其中在自基材起的方向上C的濃度降 低，然后達(dá)到極小點(diǎn)，其后在朝向該覆膜表面的方向上C濃度增加。其原因如下。濃度極小 點(diǎn)的存在確保了 C濃度較低的區(qū)域的存在，由此抑制了由C引起的覆膜的脆化。因而，防止 了覆膜強(qiáng)度下降。此外，在朝向覆膜表面的方向上C濃度升高能使覆膜的硬度增加。即，該 濃度分布使得覆膜的高強(qiáng)度和高硬度均得以實現(xiàn)。
[0051] 可通過不同的方法使在朝向覆膜表面的方向上C濃度增加。據(jù)認(rèn)為，最簡單且最 優(yōu)選的是從直接形成于TiN層上的層來擴(kuò)散C。
[0052] 本發(fā)明第一方面中的該TiN層的厚度優(yōu)選為0. Iym至0.5 μπι(0. Iym以上 0.5μπι以下）。若TiN層的厚度小于0. 1 μ m，則不能充分體現(xiàn)提高接著性的作用。若TiN層 的厚度大于〇. 5 μ m，則覆膜整體的耐磨性劣化。TiN層的厚度更優(yōu)選為0. 2 μ m至0. 4 μ m。
[0053] 在本發(fā)明第一方面中，可利用透射電子顯微鏡并通過EDS(能量色散X射線分析 儀）對覆膜的橫截面進(jìn)行分析，從而鑒定覆膜的組成以及覆膜中C的濃度。可通過用掃描 電子顯微鏡觀察覆膜的橫截面從而測定覆膜的厚度。
[0054] 〈TiCN 層〉
[0055] 本發(fā)明第一方面的覆膜優(yōu)選包括直接位于TiN層上的TiCN層。該TiCN層含有 TiCN。在該TiCN層中，C(碳）的最大濃度優(yōu)選為20原子％以上。如此直接位于TiN層上 的TiCN層使得C由該TiCN層擴(kuò)散至TiN層中，從而提高了這些層之間的接著性。
[0056] TiCN層中C的最大濃度優(yōu)選為20原子％以上，這是因為該濃度對提高TiCN層的 耐磨性是必要的。C的最大濃度更優(yōu)選為30原子％以上，由于上限高于60原子％時會導(dǎo)致 脆化，因此其上限優(yōu)選為60原子％以下。
[0057] 關(guān)于本發(fā)明的第一方面，對于原子比沒有明確規(guī)定的化學(xué)式"TiN"和"TiCN"等并 不意味著各元素的原子比僅為"1"。相反，其原子比可以是所有常規(guī)已知的原子比中的任意 原子比。特別地，關(guān)于TiCN層中的TiCN，C的比例可高于化學(xué)計量比。
[0058] 〈其他層〉
[0059] 除了上述的TiN層和TiCN層以外，本發(fā)明第一方面的覆膜還可包括其他層。所述 其他層形成于TiCN層（在沒有形成TiCN層的情況下為TiN層）之上。
[0060] 該其他層優(yōu)選為由選自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、A1、和 Si構(gòu)成的組中的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素構(gòu)成的 化合物制成的一個或多個層。可以形成上述其他層從而提高切削工具的各種特性，如耐磨 性、耐斷裂性等，和/或使使用過的切削刃具有辨識性。
[0061] 制成上述其他層的化合物的具體例子可以是（例如）TiC、Al203、ZrN、TiAlN、TiBN、 TiCN、TiN、CrN、ZrCN、AIZrO、HfN、TiSiCN、Zr02、TiB2、TiAlCN、TiCNO 和 Ti203。
[0062] 所列上述化合物的具體例子包括TiN和TiCN，這意味著TiN層除了直接位于基材 上的位置以外，還可以置于任何其他位置；并且TiCN層除了可直接位于TiN層上以外，還可 以置于任何其他位置。
[0063] 〈制造方法〉
[0064] 例如，可按以下方式制造本發(fā)明第一方面的表面被覆切削工具。
[0065] 首先，制備基材。在基材為硬質(zhì)合金的情況下，優(yōu)選進(jìn)行一次或多次復(fù)合步驟來制 造基材，其中該復(fù)合步驟由高壓升溫步驟和低壓升溫步驟組成。
[0066] 這里，高壓升溫步驟是指這樣的步驟：將基材前體（成形為所需形狀的原料粉末） 設(shè)置在加熱裝置如CVD爐中，并在以0. 5L/分鐘至5L/分鐘的較低的總流速引入H2氣和Ar 氣的同時，在800hPa至大氣壓（1013hPa)的高壓狀態(tài)以及900°C至1000°C的溫度下保持60 至180分鐘。此步驟增加了基材表面附近的C濃度。
[0067] 該低壓升溫步驟是指這樣的步驟：將經(jīng)過高壓升溫步驟的基材前體仍然設(shè)置在同 一裝置中，并在以IOL/分鐘至50L/分鐘的較低的總流速引入H2氣和N2氣的同時，在IOhPa 至50hPa的低壓狀態(tài)以及900°C至1000°C的溫度下保持15至30分鐘。該步驟進(jìn)一步促進(jìn) 了基材表面附近的C濃度的增加。即，將這些高壓升溫步驟和低壓升溫步驟重復(fù)一次或多 次從而增加基材表面附近的C濃度。由此，在后續(xù)的覆膜形成步驟（TiN層形成步驟）中， 基材中的C易于擴(kuò)散至TiN層，并且形成了具有本發(fā)明第一方面的特性的TiN層。
[0068] 在高壓升溫步驟中，壓力越高、氣體流速越低或溫度越高越能進(jìn)一步促進(jìn)基材表 面附近的C濃度的增加。同理，在低壓升溫步驟中，壓力越低、氣體流速越低或溫度越高越 能進(jìn)一步促進(jìn)基材表面附近的C濃度的增加。因此，促進(jìn)基材表面附近的C濃度的增加相 應(yīng)地增加了擴(kuò)散至TiN層中的C的濃度。
[0069] 相反，在基材為陶瓷材料的情況下，可選擇（例如）組成中包含C的材料如SiC，并 可進(jìn)行與硬質(zhì)合金中的上述步驟相似的步驟來制造基材，從而促進(jìn)基材表面附近的C濃度 的增加。
[0070] 在基材為立方氮化硼的情況下，可選擇組成中包含C的粘結(jié)劑，如TiC或WC-Co，并 可進(jìn)行與硬質(zhì)合金中的上述步驟相似的步驟來制造基材，從而促進(jìn)基材表面附近的C濃度 的增加。
[0071] 接下來，在以上述方式制備的基材的表面上形成TiN層。該TiN層優(yōu)選通過CVD 的方法形成。例如，在40hPa至IOOhPa的壓力下，將反應(yīng)氣體供至CVD爐中，具體而言，以 15L/分鐘至40L/分鐘的流速提供H 2氣、以IOL/分鐘至30L/分鐘的流速提供N2氣，并以 IL/分鐘至5L/分鐘的流速提供TiCl4氣，并在900°C至KKKTC的溫度下開始沉積。此后， 將該沉積溫度逐漸降低至840°C至860°C的最終溫度。沉積的時間優(yōu)選為20至60分鐘。在 TiN層形成（沉積）過程中，可逐漸降低溫度，由此在TiN層的厚度方向上產(chǎn)生濃度分布，以 便該濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的濃度降低。
[0072] 這種情況下，壓力越低、氣體流速越低或者溫度降低幅度越大，則在濃度分布中獲 得的最大濃度與最小濃度之差越大。
[0073] 在通過PVD的方法形成TiN層的情況下，可采用以下條件。具體而言，在N2氣氣 氛下，在溫度為700°C以上、壓力為0. 5Pa至2Pa、電弧電流為150A且偏壓為30V的條件下 開始進(jìn)行沉積、將溫度逐漸降至400°C至500°C的最終溫度，并在20分鐘至30分鐘內(nèi)完成 沉積。這樣，所產(chǎn)生的TiN層中的C濃度分布與上述情況相似。
[0074] 這種情況下，可使溫度更高，從而增加濃度分布中最大濃度與最小濃度之差。
[0075] 在隨后于TiN層上形成TiCN層的情況下，該TiCN層同樣優(yōu)選地通過CVD的方法 形成。S卩，例如，在40hPa至IOOhPa的壓力下將反應(yīng)氣體供至CVD爐中，具體而言，以50L/ 分鐘至100L/分鐘的流速提供H 2氣、以IOL/分鐘至40L/分鐘的流速提供N2氣、以IL/分 鐘至6L/分鐘的流速提供TiCl 4氣、并以0. 2L/分鐘至I. OL/分鐘的流速提供CH3CN氣，并 在800°C至870°C的溫度下完成沉積。此沉積時間優(yōu)選為100至200分鐘。由此，TiN層的 形成（沉積）可在IOOhPa以下的低壓下完成、更優(yōu)選在50hPa以下完成，從而降低TiCN層 的沉積速率并促進(jìn)TiCN層中的C向已形成的TiN層中擴(kuò)散。由此，在TiN層中C的濃度分 布中產(chǎn)生了極小點(diǎn)。
[0076] 這種情況下，壓力越低、氣體流速越低或者溫度越高，極小點(diǎn)的位置距離TiCN層 越遠(yuǎn)。
[0077] 在利用PVD來形成TiCN層的情況下，可采用以下條件。具體而言，在由CH4和N 2 組成的氣體氣氛下，可采用流速比CH4/N2為1/6至1/1、電弧電流為150A、偏壓為100V至 250V、溫度為400°C至500°C、且壓力為0. 5Pa至3Pa的條件，從而同樣在TiN層中的C濃度 分布中產(chǎn)生極小點(diǎn)。
[0078] 這種情況下，溫度越高，極小點(diǎn)的位置距離TiCN層越遠(yuǎn)。
[0079] 在隨后于TiCN層（在沒有形成TiCN層的情況下則為TiN層）上形成充當(dāng)覆層的 其他層的情況中，可通過常規(guī)已知的CVD或PVD的方法來形成其他層。這種情況下，若通過 CVD的方法形成TiN層和TiCN層，則其他層優(yōu)選地也通過CVD的方法形成。
[0080] 這樣，可制造具有本發(fā)明第一方面的特性的表面被覆切削工具。
[0081] 〈第二方面的表面被覆切削工具〉
[0082] 〈基材〉
[0083] 用于本發(fā)明第二方面的表面被覆切削工具的基材由硬質(zhì)合金制成。該硬質(zhì)合金可 以是（例如）WC基硬質(zhì)合金、含有WC和Co的硬質(zhì)合金、或含有WC和Co并還含有Ti、Ta、 Nb等的碳氮化物的硬質(zhì)合金?？墒褂镁哂谐Ｒ?guī)已知組成的任意硬質(zhì)合金而沒有特別限定， 只要其含有C和Co即可。
[0084] 在表面被覆切削工具為可轉(zhuǎn)位刀片等的情況中，該基材可具有或不具有斷屑器， 并且刀刃棱線可成形為銳利刀刃（前刀面和后刀面相交的棱線）、成形為珩磨刀刃（將銳利 刀刃加工磨圓（R))、成形為具有負(fù)倒棱（斜刃）或成形為具有珩磨刀刃和負(fù)倒棱的組合。
[0085] 〈覆膜〉
[0086] 本發(fā)明第二方面的覆膜由一層或兩層或多層形成。這種覆膜形成的目的通常是 為了改善切削工具的各種特性，如耐磨性、耐斷裂性等，和/或使使用過的切削刃具有辨識 性。
[0087] 對該覆膜的厚度沒有特別限定，并且可以是（例如）3μπι至20μπι，更優(yōu)選為 4μπι至15 μ m。對于該覆膜，可使用任何常規(guī)已知的成形方法（沉積方法），如物理氣相沉 積（PVD)和化學(xué)氣相沉積（CVD)，而沒有特別限定。尤其優(yōu)選將化學(xué)氣相沉積用于形成該 覆膜，這是因為與物理氣相沉積等相比，化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用能夠提供相對高的沉積溫度 (800°C至1050°C )以及對基材優(yōu)異的接著性。
[0088] 〈TiN 層〉
[0089] 本發(fā)明第二方面的覆膜由上述一層或兩層或多層形成。在這些層中，與基材鄰接 的層為TiN層。該TiN層具有對硬質(zhì)合金的接著性優(yōu)異的優(yōu)異功能。
[0090] 在本發(fā)明第二方面中，該TiN層的特征在于：該TiN層含有C (碳）、Co (鈷）以及 TiN，C和Co在TiN層的厚度方向上均具有濃度分布，并且C的濃度分布包括這樣的區(qū)域， 其中在由基材至覆膜表面的方向上C的濃度降低，Co濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在從 由基材至覆膜表面的方向上，Co的濃度降低。該TiN層具有這些特性，從而顯著提高基材 與覆膜之間的接著性。
[0091] 以上的原因在于以下事實：基材中的C和Co經(jīng)基材與TiN層之間的界面擴(kuò)散至 TiN層中，從而提高了基材與TiN層（覆膜）之間的接著性。雖然從提高接著性的觀點(diǎn)出 發(fā)，如此擴(kuò)散至TiN層中的C是一個重要因素，但C也具有使覆膜脆化的反作用。因此，從 覆膜的強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，C的存在是不優(yōu)選的。與上述C相似，雖然從提高接著性的觀點(diǎn)出 發(fā)，Co也是一個重要因素，但Co也具有降低覆膜硬度的反作用。因此，從覆膜的硬度的觀 點(diǎn)出發(fā)，Co的存在是不優(yōu)選的。
[0092] 因此，根據(jù)本發(fā)明第二方面，通過這樣提供C和Co以使得C和Co在TiN層的厚度 方向上各自具有如下濃度分布，從而在這些彼此相反的功能之間進(jìn)行權(quán)衡，其中在上述濃 度分布中，隨著與基材間的距離越小，C和Co的濃度越高，并且在朝向覆膜表面的方向上，C 和Co的濃度降低。
[0093] SP，本發(fā)明第二方面中的TiN層的特征在于：TiN層含有C、Co和TiCN，C和Co在 TiN層的厚度方向上均具有濃度分布，并且C濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆 膜表面的方向上C的濃度降低，Co的濃度分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆膜表面 的方向上，Co的濃度降低。
[0094] 此處，對C(碳）和Co (鈷）以何種形式存在于TiN層中均沒有特別限定。據(jù)認(rèn)為， C和Co均以原子的形式存在或者以在TiN層中的C或Co的固溶體的形式存在。"包括這樣 的區(qū)域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的濃度降低"意思是在TiN層的厚度方向上的 C濃度分布可包括這樣的部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上C濃度降低，并且只要該 分布包括這樣的部分，則其也可以包括（例如）在厚度方向上C濃度恒定的部分、在朝向覆 膜表面的方向上其濃度增加的部分、或者不含C的部分。同理，"包括這樣的區(qū)域，其中在由 基材至覆膜表面的方向上Co的濃度降低"意思是在TiN層的厚度方向上的Co濃度分布可 包括這樣的部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上Co濃度降低，并且只要該分布包括這 樣的部分，則其也可以包括（例如）在厚度方向上Co濃度恒定的部分、在朝向覆膜表面的 方向上其濃度增加的部分、或者不含Co的部分。
[0095] 應(yīng)該注意到，"由基材至覆膜表面的方向上C的濃度降低的區(qū)域"和"由基材至覆 膜表面的方向上Co的濃度降低的區(qū)域"可以彼此一致或重疊，或者彼此不同。
[0096] 此外，TiN層中的C和Co優(yōu)選具有這樣的原子比：C為Co的兩倍以上，其原因如 下。即，當(dāng)C和Co擴(kuò)散至TiN層從而如上所述提高基材與TiN層之間的接著性時，擴(kuò)散至 TiN層中的過量Co將顯著降低TiN層的硬度。更優(yōu)選地，C和Co具有這樣的原子比：C為 Co的三倍以上。由于C和Co在TiN層的厚度方向上均具有濃度分布，因此，需要在TiN層 的同一位置測量C和Co各自的濃度。
[0097] 此外，在濃度分布中，C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選為10原子％以上。C的 最大濃度優(yōu)選為30原子％以下。這是由于，若C的最大濃度高于30原子％，則使覆膜脆化 的作用比提高接著性的作用更強(qiáng)，從而導(dǎo)致覆膜的強(qiáng)度降低。若C的最大濃度和最小濃度 之差小于10原子％，則不能充分體現(xiàn)提高接著性的作用。雖然對C的最大濃度的下限沒有 特別限定，但從充分體現(xiàn)提高接著性的作用的觀點(diǎn)出發(fā)，該下限優(yōu)選5原子％以上。由于如 上所述，C的最大濃度優(yōu)選30原子％以下，因此C的最大濃度和最小濃度之差優(yōu)選為15原 子％以下。
[0098] 此外，在濃度分布中，Co的最大濃度優(yōu)選為5原子％以下。這是由于，若Co的最 大濃度高于5原子％，則降低覆膜硬度的作用比提高接著性的作用更強(qiáng)。雖然對Co的最大 濃度的下限沒有特別限定，但從充分體現(xiàn)提高接著性的作用的觀點(diǎn)出發(fā)，其下限優(yōu)選1原 子％以上。
[0099] 此處，C和Co的濃度（原子％ )是指相對于構(gòu)成TiN層的全部原子的百分?jǐn)?shù)。
[0100] 另外，C的濃度分布優(yōu)選具有這樣的分布：其中在自基材起的方向上C的濃度降 低，然后達(dá)到極小點(diǎn)，其后在朝向該覆膜表面的方向上C濃度增加。這是由于以下原因。濃 度極小點(diǎn)的存在確保了 C濃度較低的區(qū)域的存在，由此抑制了由C引起的覆膜的脆化。因 而，防止了該覆膜的強(qiáng)度下降。此外，在朝向覆膜表面的方向上C濃度升高能使覆膜的硬度 增加。
[0101] 可通過不同的方法使在朝向覆膜表面的方向上C濃度增加。據(jù)認(rèn)為，最簡單且最 優(yōu)選的是由直接形成于TiN層上的層擴(kuò)散C。
[0102] 相反，Co的濃度分布優(yōu)選具有這樣的分布：其中Co的濃度在由基材至覆膜表面的 方向上降低。這是由于以下原因。在基材的附近，使Co的濃度更高從而提高對基材的接著 性。同時，隨自與基材間的距離增加，使Co濃度逐漸變低，從而防止硬度降低。
[0103] 這樣，限定了 C和Co各自的濃度分布，從而使得能夠同時實現(xiàn)覆膜的高強(qiáng)度和高 硬度。
[0104] 本發(fā)明第二方面中的TiN層的厚度優(yōu)選為0. Ιμ--至0. 5μ--(0. Ιμ--以上0. 5μ-- 以下）。若TiN層的厚度小于Ο.?μ--，則不能充分體現(xiàn)提高接著性的作用。若TiN層的厚 度大于0. 5 μ m，則覆膜整體的耐磨性會劣化。TiN層的厚度更優(yōu)選為0. 2 μ m至0. 4 μ m。
[0105] 在本發(fā)明第二方面中，可利用透射電子顯微鏡并通過EDS(能量色散X射線分析 儀）對覆膜的橫截面進(jìn)行分析，從而鑒定覆膜的組成以及覆膜中C和Co各自的濃度?？赏?過用掃描電子顯微鏡觀察覆膜的橫截面從而測定覆膜的厚度。
[0106] 〈TiCN 層〉
[0107] 本發(fā)明第二方面的覆膜優(yōu)選包括直接位于TiN層上的TiCN層。該TiCN層含有 TiCN。在該TiCN層中，C(碳）的最大濃度優(yōu)選為20原子％以上。如此直接位于TiN層上 的TiCN層使得C由該TiCN層擴(kuò)散至TiN層中，從而提高了這些層之間的接著性。
[0108] TiCN層中C的最大濃度優(yōu)選為20原子％以上，這是因為該濃度對提高TiCN層的 耐磨性是必要的。C的最大濃度更優(yōu)選為30原子％以上，由于上限高于60原子％時會導(dǎo)致 脆化并使強(qiáng)度降低，因此其上限優(yōu)選為60原子％以下。
[0109] 關(guān)于本發(fā)明的第二方面，對于原子比沒有明確規(guī)定的化學(xué)式"TiN"和"TiCN"等并 不意味著各元素的原子比僅為"1"。相反，其原子比可以是所有常規(guī)已知的原子比中的任意 原子比。特別地，關(guān)于TiCN層中的TiCN，C的比例可高于化學(xué)計量比。
[0110] 〈其他層〉
[0111] 除了上述的TiN層和TiCN層以外，本發(fā)明第二方面的覆膜還可包括其他層。所述 其他層形成于TiCN層（在沒有形成TiCN層的情況下為TiN層）之上。
[0112] 該其他層優(yōu)選為由選自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、A1、和 Si構(gòu)成的組中的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素構(gòu)成的 化合物制成的一個或多個層?？梢孕纬缮鲜銎渌麑訌亩岣咔邢鞴ぞ叩母鞣N特性，如耐磨 性、耐斷裂性等，和/或使使用過的切削刃具有辨識性。
[0113] 制成上述其他層的化合物的具體例子可以是（例如）TiC、Al203、ZrN、TiAlN、TiBN、 TiCN、TiN、CrN、ZrCN、Zr02、AIZrO、HfN、TiSiCN、TiB2、TiAlCN、TiCNO、和 Ti203。
[0114] 所列上述化合物的具體例子包括TiN和TiCN，這意味著TiN層除了直接位于基材 上的位置以外，還可以置于任何其他位置；并且TiCN層除了可直接位于TiN層上以外，還可 以置于任何其他位置。
[0115] 〈制造方法〉
[0116] 例如，可按以下方式制造本發(fā)明第二方面的表面被覆切削工具。
[0117] 首先，制備基材。在制造基材時，優(yōu)選進(jìn)行一次或多次復(fù)合步驟來制造基材，其中 該復(fù)合步驟由高壓升溫步驟和低壓升溫步驟組成。
[0118] 這里，高壓升溫步驟是指這樣的步驟：將基材前體（成形為所需形狀的原料粉末） 設(shè)置在加熱裝置如CVD爐中，并在以0. 5L/分鐘至5L/分鐘的較低的總流速引入H2氣和Ar 氣的同時，在800hPa至大氣壓（1013hPa)的高壓狀態(tài)以及900°C至1000°C的溫度下保持60 至180分鐘。此步驟增加了基材表面附近的C濃度和Co濃度。
[0119] 該低壓升溫步驟是指這樣的步驟：將經(jīng)過高壓升溫步驟的基材前體仍然設(shè)置在同 一裝置中，并在以10L/分鐘至50L/分鐘的較低的總流速引入H 2氣和N2氣的同時，在IOhPa 至50hPa的低壓狀態(tài)以及900°C至1000°C的溫度下保持15至30分鐘。該步驟進(jìn)一步促進(jìn) 了基材表面附近的C濃度和Co濃度的增加。即，將這些高壓升溫步驟和低壓升溫步驟重復(fù) 一次或多次從而增加基材表面附近的C濃度和Co濃度。由此，在后續(xù)的覆膜形成步驟（TiN 層形成步驟）中，基材中的C和Co易于擴(kuò)散至TiN層，并且形成了具有本發(fā)明第二方面的 特性的TiN層。
[0120] 在高壓升溫步驟中，壓力越高、氣體流速越低或溫度越高越能進(jìn)一步促進(jìn)基材表 面附近的C濃度和Co濃度的增加。同理，在低壓升溫步驟中，壓力越低、氣體流速越低或溫 度越高越能進(jìn)一步促進(jìn)基材表面附近的C濃度和Co濃度的增加。因此，促進(jìn)基材表面附近 的C濃度和Co濃度的增加相應(yīng)地增加了擴(kuò)散至TiN層中的C的濃度和Co的濃度。
[0121] 接下來，在以上述方式制備的基材的表面上形成TiN層。該TiN層優(yōu)選通過CVD 的方法形成。例如，在40hPa至IOOhPa的壓力下，將反應(yīng)氣體供至CVD爐中，具體而言，以 15L/分鐘至40L/分鐘的流速提供H 2氣、以10L/分鐘至30L/分鐘的流速提供N2氣，并以 IL/分鐘至5L/分鐘的流速提供TiCl4氣，并在900°C至KKKTC的溫度下開始沉積。此后， 將該沉積溫度逐漸降低至840°C至860°C的最終溫度。沉積的時間優(yōu)選為20至60分鐘。在 TiN層形成（沉積）過程中，可逐漸降低溫度，由此在TiN層的厚度方向上分別產(chǎn)生C和Co 的濃度分布，以便該各濃度分布分布包括這樣的區(qū)域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C 或Co的濃度降低。
[0122] 這種情況下，壓力越低、流速越低或者溫度降低幅度越大，則在C的濃度分布和Co 的濃度分布中所獲得的最大濃度與最小濃度之間的差均越大。
[0123] 在通過PVD的方法形成TiN層的情況下，可采用以下條件。具體而言，在N2氣氣 氛下，在溫度為700°C以上、壓力為0. 2至2Pa、電弧電流為150A且偏壓為30V的條件下開 始沉積，將溫度逐漸降至400°C至500°C的最終溫度并在20至30分鐘內(nèi)完成沉積。這樣， TiN層中產(chǎn)生的C和Co的濃度分布與上述情況相似。
[0124] 這種情況下，可使溫度更高從而增加 C和Co各自的濃度分布中最大濃度與最小濃 度之差。
[0125] 在隨后于TiN層上形成TiCN層的情況下，該TiCN層同樣優(yōu)選地通過CVD的方法 形成。S卩，例如，在40hPa至IOOhPa的壓力下將反應(yīng)氣體供至CVD爐中，具體而言，以50L/ 分鐘至100L/分鐘的流速提供H 2氣、以10L/分鐘至40L/分鐘的流速提供N2氣、以IL/分 鐘至6L/分鐘的流速提供TiCl 4氣、并以0. 2L/分鐘至I. OL/分鐘的流速提供CH3CN氣，并 在800°C至870°C的溫度下完成沉積。此沉積時間優(yōu)選為100至200分鐘。由此，TiN層的 形成（沉積）可在IOOhPa以下的低壓下完成、更優(yōu)選在50hPa以下完成，從而降低TiCN層 的沉積速率并促進(jìn)TiCN層中的C向已形成的TiN層中擴(kuò)散。由此，在TiN層中C的濃度分 布中產(chǎn)生了極小點(diǎn)。
[0126] 這種情況下，壓力越低、氣體流速越低或者溫度越高，極小點(diǎn)的位置距離TiCN層 越遠(yuǎn)。
[0127] 在利用PVD來形成TiCN層的情況下，可采用以下條件。具體而言，在由CH4和N 2 組成的氣體氣氛下，可采用流速比CH4/N2為1/6至1/1、電弧電流為150A、偏壓為100V至 250V、溫度為400°C至500°C、且壓力為0. 5Pa至3Pa的條件，從而同樣在TiN層中的C濃度 分布中產(chǎn)生極小點(diǎn)。
[0128] 這種情況下，溫度越高，極小點(diǎn)的位置距離TiCN層越遠(yuǎn)。
[0129] 在隨后于TiCN層（在沒有形成TiCN層的情況下則為TiN層）上形成充當(dāng)覆層的 其他層的情況中，可通過常規(guī)已知的CVD或PVD的方法來形成其他層。這種情況下，若通過 CVD的方法形成TiN層和TiCN層，則其他層優(yōu)選地也通過CVD的方法形成。
[0130] 這樣，可制造具有本發(fā)明第二方面的特性的表面被覆切削工具。
[0131] 實施例
[0132] 以下，將結(jié)合實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。但本發(fā)明并不限于此。
[0133] 〈實施例1>
[0134] 將組成為2. 0質(zhì)量％的TaC、10. 0質(zhì)量％的Co以及余量的WC (應(yīng)該注意到,該組 成中包含不可避免的雜質(zhì)）的原料粉末充分混合并隨后壓制成形為所需形狀，并燒結(jié)。關(guān) 于其形狀，制備了兩種不同類型，即形狀為"SDKN42MT"（由Sumitomo Electric Hardmetal 公司制造）的銑削用可轉(zhuǎn)位刀片以及形狀為"CNMG120408N-GU"（由Sumitomo Electric Hardmetal公司制造）的車削用可轉(zhuǎn)位刀片。
[0135] 接著，將如上所述壓制成形的基材前體設(shè)置在CVD爐中，并在以下條件下保持100 分鐘：大氣壓（1013hPa)、H 2氣流速為2L/分鐘、Ar氣流速為2L/分鐘、以及910°C (高壓升 溫步驟）。
[0136] 接著，將經(jīng)過了高壓升溫步驟并且仍設(shè)置在該CVD爐中的基材前體在以下條件下 保持20分鐘：壓力為48hPa、H 2氣流速為18L/分鐘、N2氣流速為9L/分鐘、以及910°C (低 壓升溫步驟）。
[0137] 由此制造了用于切削工具的硬質(zhì)合金制基材（有兩種不同形狀）。接下來，在各基 材仍設(shè)置在CVD爐中的同時，通過CVD在各基材上形成TiN層。具體而言，在以下條件下開 始沉積：壓力為48hPa、H 2氣流速為35L/分鐘、N2氣流速為18L/分鐘、TiCl4氣流速為2L/ 分鐘、以及900°C的溫度。此后，該溫度逐漸降至860°C的最終溫度。沉積時間為30分鐘。 由此在各基材上形成0. 3 μ m的TiN層。
[0138] 接下來，通過CVD在由此形成的TiN層上形成TiCN層。具體而言，在壓力為48hPa、 H2氣流速為90L/分鐘、N2氣流速為30L/分鐘、TiCl4氣流速為5L/分鐘、CH 3CN氣流速 為0. 8L/分鐘、以及溫度為860°C的條件下，在200分鐘內(nèi)完成沉積，從而在TiN層上形成 5· 2μπι 的 TiCN 層。
[0139] 此后，通過CVD的方法在該TiCN層上依次形成其他層，即3. 5μπι的Al2O3層和 0. 5 μ m的TiN層。該Al2O3層是在以下條件下通過蒸發(fā)Al而形成：壓力為67hPa、溫度為 980°C、H 2氣流速為40L/分鐘、CO2氣流速為2L/分鐘、HCl氣流速為2L/分鐘（沉積時間： 260分鐘）。該TiN層在以下條件下形成：壓力為67hPa、溫度為980°C、H 2氣流速為50L/分 鐘、N2氣流速為35L/分鐘、TiCl4氣流速為4L/分鐘、沉積時間為30分鐘。
[0140] 這樣，制備了本發(fā)明第一方面的表面被覆切削工具。將各表面被覆切削工具沿包 括前刀面的覆膜表面的法線以及后刀面的覆膜表面的法線的任意平面切割，利用透射電子 顯微鏡（裝置名稱："JEM-2100F"，由JEOL株式會社制造），在加速電壓為200kV的條件下通 過EDS分析來測量所得截面。由此確認(rèn)了在該基材上依次形成有0. 3 μ m的TiN層、5. 2 μ m 的TiCN層、3. 5 μ m的Al2O3層、0. 5 μ m的TiN層，直接位于該基材上的TiN層具有如表1所 示的C濃度分布、并且確認(rèn)了 TiCN層中C的最大濃度。通過用掃描電子顯微鏡（裝置名稱： "S-3400"，由Hitachi High-Technologies公司制造）觀察上述橫截面來確認(rèn)各層的厚度。
[0141] 〈實施例2至16>、
[0142] 按照與實施例1中的表面被覆切削工具相似的方式制造實施例2至16中的表面 被覆切削工具。
[0143] 與實施例1不同的是，按以下所示的相應(yīng)范圍調(diào)節(jié)用于制造基材的高壓升溫步驟 以及低壓升溫步驟的條件、形成TiN層的條件、以及形成TiCN層的條件。
[0144] 具體而言，在以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)高壓升溫步驟的條件：壓力為SOOhPa至大氣壓 (1013hPa)、H 2氣流速為0. 5L/分鐘至5L/分鐘、Ar氣流速為0. 5L/分鐘至5L/分鐘（H2氣 和Ar氣的總流速為0. 5L/分鐘至5L/分鐘）、溫度為900°C至1000°C、保持時間為60分鐘 至180分鐘。
[0145] 在以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)低壓升溫步驟的條件：壓力為IOhPa至50他&、!1 2氣流速為IOL/ 分鐘至50L/分鐘、N2氣流速為IOL/分鐘至50L/分鐘（H 2氣和N2氣的總流速為IOL/分鐘 至50L/分鐘）、溫度為900°C至1000°C、并且保持時間為15至30分鐘。
[0146] 在以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)形成TiN層的條件。在以下條件下開始進(jìn)行沉積：壓力為40至 lOOhPa、H2氣流速為15L/分鐘至40L/分鐘、N2氣流速為IOL/分鐘至30L/分鐘、TiCl 4氣 流速為IL/分鐘至5L/分鐘、溫度為900°C至1000°C，然后溫度逐漸降至840°C至860°C的 最終溫度，并且在20至60分鐘內(nèi)完成沉積。
[0147] 在以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)形成TiCN層的條件：壓力為40hPa至100他&、!1 2氣流速為5017 分鐘至100L/分鐘、N2氣流速為IOL/分鐘至40L/分鐘、TiCl 4氣流速為IL/分鐘至6L/分 鐘、CH3CN氣流速為0. 2L/分鐘至I. OL/分鐘、溫度為800°C至870°C且沉積時間為100分鐘 至200分鐘。
[0148] 關(guān)于實施例11，上述條件如下：壓力為llOhPa、H2氣流速為70L/分鐘、N 2氣流速 為50L/分鐘、TiCl4氣流速為6L/分鐘、CH3CN氣流速為I. 5L/分鐘、溫度為880°C且沉積時 間為80分鐘。因此，沒有產(chǎn)生極小點(diǎn)。
[0149] 關(guān)于實施例12,上述條件如下：壓力為100hPa、H2氣流速為60L/分鐘、N 2氣流速 為60L/分鐘、TiCl4氣流速為6L/分鐘、CH3CN氣流速為2. OL/分鐘、溫度為880°C且沉積時 間為60分鐘。因此，沒有產(chǎn)生極小點(diǎn)。
[0150] 在與實施例1相同的條件下制備其他層。對于由此制備的表面被覆切削工具，按 與實施例1相似的方式確認(rèn)了直接位于基材上的TiN層的C的濃度分布如表1所不，并且 確認(rèn)了 TiCN層中的C的最大濃度。
[0151] 〈實施例17至18>
[0152] 在與實施例1相似的條件下制造基材和TiN層。此后，形成其他層而不形成TiCN 層。
[0153] 實施例17中的其他層依次為通過CVD的方法形成的3. 5 μ m的ZrN層和2. 5 μ m 的TiN層，并且實施例18中的其他層依次為通過CVD的方法形成的3. 5 μ m的TiAlN層和 2·5μπι 的 TiSiCN 層。
[0154] 關(guān)于上述指定的其他層，在以下條件下形成ZrN層：壓力為160hPa、溫度為 1000°C、ZrCl 4氣流速為5L/分鐘、N2氣流速為20L/分鐘、H2氣流速為55L/分鐘且沉積時 間為300分鐘；在以下條件下形成TiN層：壓力為133hPa、溫度為900°C、TiCl 4氣流速為 5L/分鐘、N2氣流速為18L/分鐘、H2氣流速為30L/分鐘且沉積時間為210分鐘；在以下條 件下形成TiAlN層：壓力為13hPa、溫度為8001：、11(：14氣流速為IL/分鐘、八1(：13氣流速為 I. 5L/分鐘、NH3氣流速為4L/分鐘、N2氣流速為12L/分鐘、H2氣流速為12L/分鐘且沉積時 間為120分鐘；并且在以下條件下形成TiSiCN層：壓力為40hP a、溫度為830°C、TiCl4氣流 速為2. 5L/分鐘、SiCl4氣流速為0. 5L/分鐘、NH3氣流速為5L/分鐘、C2H2氣流速為5. 5L/ 分鐘、N2氣流速為2L/分鐘、H2氣流速為50L/分鐘且沉積時間為60分鐘。
[0155] 對于由此制備的表面被覆切削工具，按與實施例1相似的方式確認(rèn)了直接位于基 材上的TiN層的C的濃度分布如表1所示。關(guān)于實施例17和18,在TiN層上沒有形成TiCN 層，因此表4中相應(yīng)的單元格是空白的。
[0156] 〈實施例19至20>
[0157] 按與實施例1相似的方式制備基材，并通過PVD的方法在該基材上形成覆膜。
[0158] 關(guān)于實施例19,在基材上形成了 0. 3μπι的TiN層，并在該TiN層上形成了 3. 5μπι 的TiCN層。該TiN層在N2氣氣氛下形成，其中在溫度為700°C、壓力為IPa、電弧電流為150Α 且偏壓為30V下開始沉積，然后溫度逐漸降至450°C的最終溫度（沉積時間：25分鐘）。在 由氣體流速比CH4/N 2為1/4的CH4和N2構(gòu)成的氣氛中、在溫度為450°C、壓力為2Pa、電弧電 流為150A且偏壓為150V (沉積時間：180分鐘）下沉積TiCN層。
[0159] 關(guān)于實施例20,在基材上形成了 0. 3 μ m的TiN層、在該TiN層上形成了 2. 5 μ m的 TiCN層，并且在該TiCN層上形成了其他層，即2. 5 μ m的TiN層。在N2氣氣氛下形成了直 接位于基材上的TiN層，其中在溫度為700°C、壓力為IPa、電弧電流為150A且偏壓為30V 下開始沉積，然后溫度逐漸降至450°C的最終溫度（沉積時間：25分鐘）。在由氣體流速比 CH4/N2為1/4的CH4和N2構(gòu)成的氣氛中、在溫度為450°C、壓力為2Pa、電弧電流為150A且 偏壓為150V(沉積時間：120分鐘）的條件下沉積TiCN層。在溫度為450°C、壓力為2Pa、 電弧電流為150A且偏壓為50V(沉積時間：40分鐘）的條件下沉積其他層，即TiN層。
[0160] 對于由此制備的表面被覆切削工具，按與實施例1相似的方式確認(rèn)了直接位于基 材上的TiN層的C的濃度分布如表1所示，并且確認(rèn)了 TiCN層中的C的最大濃度。
[0161] 〈實施例21至22>
[0162] 關(guān)于實施例21，采用了陶瓷材料作為基材組成，并且使用了與實施例1類似的形 狀。對于該基材，使用了 SiC，并且在與實施例1的硬質(zhì)合金所用的條件相同的條件下制備 基材。
[0163] 關(guān)于實施例22,采用了立方氮化硼作為該基材的組成，并且使用了與實施例1類 似的形狀。基材為采用了 TiC作為粘結(jié)劑的立方氮化硼，并且在與實施例1的硬質(zhì)合金所 用的條件相同的條件下制備。
[0164] 然后，按與實施例19相似的方式，通過物理氣相沉積的方法在上述各基材上形成 覆膜。
[0165] 對于由此制備的表面被覆切削工具，按與實施例1相似的方式確認(rèn)了直接位于基 材上的TiN層的C的濃度分布如表1所示，并且確認(rèn)了 TiCN層中的C的最大濃度。
[0166] 〈比較例1至2>
[0167] 按與實施例1相似的方式制備了基材。通過CVD的方法在該基材上形成如下所述 的覆膜（應(yīng)該注意到，該覆膜的結(jié)構(gòu)中并未直接在基材上形成TiN層）。
[0168] 關(guān)于比較例1，在基材上形成3. 5μπι的TiAlN層，并且在該TiAlN層上形成2. 5μπι 的TiCN層。該TiAlN層在以下條件下形成：壓力為13hPa、溫度為800°C、11(：14氣流速為 IL/分鐘、AlCl3氣流速為I. 5L/分鐘、NH3氣流速為4L/分鐘、N2氣流速為12L/分鐘、H2氣 流速為12L/分鐘且沉積時間為120分鐘。該TiCN層在以下條件下通過沉積180分鐘而形 成：壓力為60hPa、H 2氣流速為70L/分鐘、N2氣流速為50L/分鐘、TiCl4氣流速為IOL/分 鐘、CH 3CN氣流速為I. 5L/分鐘且溫度為840°C .
[0169] 關(guān)于比較例2,在基材上形成3. 5 μ m的TiBN層。該TiBN層在以下條件下形成： 壓力為67hPa、溫度為980°C、TiCl4氣流速為IL/分鐘、BCl 3氣流速為0· 5L/分鐘、N2氣流 速為IL/分鐘、H2氣流速為40L/分鐘且沉積時間為300分鐘。
[0170] 對于由此制備的表面被覆切削工具，按與實施例1相似的方式鑒定了覆膜的結(jié) 構(gòu)。結(jié)果確認(rèn)了沒有直接形成于基材上的TiN層（見表2)。
[0171] 〈比較例3至6>
[0172] 按與實施例1的表面被覆切削工具相似的方式制備了比較例3至6的表面被覆切 削工具。
[0173] 與實施例1不同的是，將條件改變?nèi)缦隆?br> [0174] 具體而言，關(guān)于比較例3和4,在未進(jìn)行高壓升溫步驟和低壓升溫步驟的情況下制 備基材。而是通過與常規(guī)步驟相似的升溫步驟（壓力：800他 &、!12氣體流速：10L/分鐘、Ar 氣體流速：IOL/分鐘、溫度：850°C、升溫時間：60分鐘）來制備基材。按與實施例1相似的 條件形成TiN層，不同之處在于，溫度為850°C的恒溫。按與實施例1相似的方式形成TiCN 層（不同之處在于，比較例3中的沉積時間為150分鐘）。
[0175] 關(guān)于比較例5,按與實施例1相似的方式制備基材。通過在以下條件下沉積30分 鐘來形成TiN層：壓力為70hPa、H 2氣流速為60L/分鐘、N2氣流速為60L/分鐘、TiCl4氣流 速為IOL/分鐘，且溫度為860°C的恒溫。通過在以下條件下沉積120分鐘來形成TiCN層： 壓力為60hPa、H 2氣流速為60L/分鐘、N2氣流速為50L/分鐘、TiCl4氣流速為IOL/分鐘、 CH3CN氣流速為2L/分鐘且溫度為860°C。
[0176] 關(guān)于比較例6,按與實施例1相似的方式制備表面被覆切削工具，不同之處在于： 形成該TiN層的沉積起始溫度為900°C且沉積結(jié)束溫度為880°C。
[0177] [表 1]
[0178]

【權(quán)利要求】
1. 一種表面被覆切削工具，包括基材和形成于所述基材上的覆膜， 所述覆膜包括一層或兩層或更多層， 所述層中與所述基材鄰接的層為TiN層， 所述TiN層包含至少一種元素以及TiN， 所述元素在所述TiN層的厚度方向上具有濃度分布，并且 所述濃度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上， 所述元素的濃度降低。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面被覆切削工具，其中 所述TiN層包含C和TiN， 所述C在所述TiN層的厚度方向上具有濃度分布， 所述濃度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上， 所述C的濃度降低。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面被覆切削工具，其中所述濃度分布中所述C的最大濃度 和最小濃度之差為10原子％以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的表面被覆切削工具，其中所述C的最大濃度為30原子％ 以下。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述濃度分布具有以 下分布：其中在自所述基材起的方向上所述C的濃度降低，之后達(dá)到極小點(diǎn)，此后在朝向所 述覆膜的表面的方向上所述C的濃度增加。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN層的厚度為 0· 1 μ m 至 0· 5 μ m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的表面被覆切削工具，其中 所述覆膜包括直接位于所述TiN層上的TiCN層， 所述TiCN層包含TiCN，并且 所述TiCN層中的C的最大濃度為20原子％以上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項所述的表面被覆切削工具，其中， 所述覆膜還包括其他層，并且 所述其他層為由選自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、A1和Si構(gòu)成 的組中的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素所構(gòu)成的化合 物制成的一層或多層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜通過化學(xué)氣 相沉積形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述基材為硬質(zhì)合 金。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面被覆切削工具，其中 所述基材由硬質(zhì)合金制成， 所述TiN層包含C、Co和TiN， 所述C和所述Co各自在所述TiN層的厚度方向上具有濃度分布， 所述C的濃度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方 向上，所述C的濃度降低，并且 所述Co的濃度分布包括以下區(qū)域：在該區(qū)域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方 向上，所述Co的濃度降低。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN層中的所述C與所述Co 的原子比為：所述C為所述Co的兩倍或更高。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的表面被覆切削工具，其中在所述C的濃度分布中，所 述C的最大濃度和最小濃度之差為10原子％以上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的表面被覆切削工具，其中 所述C的最大濃度為30原子％以下，并且 所述Co的最大濃度為5原子％以下。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項所述的表面被覆切削工具，其中 所述C的濃度分布具有以下分布：其中在自所述基材起的方向上所述C的濃度降低，之 后達(dá)到極小點(diǎn)，此后在朝向所述覆膜的表面的方向上所述C的濃度增加，并且 所述Co的濃度分布具有以下分布：其中在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上，所 述Co的濃度降低。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN層的厚度 為 0· 1 μ m 至 0· 5 μ m。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項所述的表面被覆切削工具，其中 所述覆膜包括直接位于所述TiN層上的TiCN層， 所述TiCN層包含TiCN，并且 所述TiCN層中的C的最大濃度為20原子％以上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11至17中任一項所述的表面被覆切削工具，其中 所述覆膜還包括其他層，并且 所述其他層為由選自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、A1和Si構(gòu)成 的組中的至少一種元素與選自由硼、碳、氮和氧構(gòu)成的組中的至少一種元素所構(gòu)成的化合 物制成的一層或多層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11至18中任一項所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜通過化學(xué) 氣相沉積形成。
【文檔編號】C23C16/30GK104271291SQ201380020636
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月19日
【發(fā)明者】今村晉也, 市川喬啟, 奧野晉, 金岡秀明, 津田圭一 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社