本發(fā)明涉及一種表面被覆切削工具。

背景技術(shù)：

在基材上形成有覆膜的表面被覆切削工具已被常規(guī)使用。例如，日本專利特開No.2013-063504(專利文獻1)提出了“一種表面被覆切削工具，其具有包括下層和上層的覆膜。下層是Ti化合物層。上層設(shè)置在下層上并由具有α型晶體結(jié)構(gòu)的Al₂O₃層形成”。特別地，專利文獻1公開了“這種表面被覆切削工具具有以下特征：在所述上層和所述下層之間的界面處，(11-20)取向為30面積％至70面積％，以及以下特征：在整個上層中，(0001)取向為45面積％以上”。同時，專利文獻1沒有公開在α-Al₂O₃層的厚度方向上的(001)取向的分布。

日本專利特開No.10-204639(專利文獻2)提出了“一種表面被覆硬質(zhì)合金切削工具，其具有由α-型氧化鋁復合層形成的硬質(zhì)覆膜層。所述α-型氧化鋁復合層是由兩個以上示出不同的X射線衍射圖案的α-型氧化鋁單元層構(gòu)成的。在α-型氧化鋁單元層的X射線衍射圖案中，最高峰出現(xiàn)在2θ的25.5°、35.5°、37.2°和68.4°中的任一位置處。最高峰高度(H₁)與相同的X射線衍射圖案中的第二最高峰高度(H₂)之比(H₁/H₂)為1.5至2.7”。

日本專利特開No.2000-218410(專利文獻3)提出了“一種表面被覆硬質(zhì)合金切削工具，其具有硬質(zhì)覆膜層，該覆膜層包括具有α-型晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋁層。氧化鋁層由具有強晶體取向的下層和具有弱晶體取向的上層構(gòu)成。上層的厚度占上層與下層總厚度的比率為10％至40％”。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開No.2013-063504

專利文獻2：日本專利特開No.10-204639

專利文獻3：日本專利特開No.2000-218410

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

如在上述引用的專利文獻1至專利文獻3所提到的那樣，據(jù)預期α-Al₂O₃覆膜質(zhì)量的改善將相應(yīng)地改進由硬質(zhì)合金制成的切削工具的性能，特別是改進耐月牙洼磨損性和耐崩裂性。然而，如專利文獻1所公開的那樣，在基于Al₂O₃晶粒在特定方向上的取向性而改進覆膜質(zhì)量的情況下，在獲得提高覆膜強度的效果的同時，會涉及各種問題。

例如，具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒顯示出這樣一種趨勢，即在與基材表面平行的方向上，熱膨脹系數(shù)增大。因此，在形成覆膜后的冷卻過程中，在覆膜內(nèi)可能產(chǎn)生許多裂縫。此外，由于具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒高速生長，所以晶粒還可能變粗大并且耐磨性可能會劣化。與之相比，如上述專利文獻2和專利文獻3所公開的那樣，在基于包含取向不同的多個Al₂O₃晶粒的覆膜來改進覆膜質(zhì)量的情況下，以特定方向(例如，(001)面方向)取向的α-Al₂O₃晶粒的比例低，因此難以充分獲得提高覆膜強度的效果。

本發(fā)明是鑒于上述情況而提出的，并且本發(fā)明的目的在于提供一種表面被覆切削工具，其中充分實現(xiàn)了提高覆膜強度的效果，并且進一步地，能夠防止晶粒粗化，并且能夠防止冷卻時覆膜內(nèi)產(chǎn)生裂縫。

問題的解決方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜。所述覆膜包括含有多個α-Al₂O₃晶粒的α-Al₂O₃層。所述α-Al₂O₃層包括設(shè)置在基材側(cè)的下層部、設(shè)置在下層部上的中間部以及設(shè)置在中間部上的上層部。在利用電子背散射衍射分析裝置對α-Al₂O₃層的截面拋光面進行的晶體取向成像中，所述下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％，所述中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上，并且所述上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。所述α-Al₂O₃層的厚度為4μm至18μm，所述中間部的厚度占α-Al₂O₃層的厚度的50％以上，并且所述下層部和所述下層部各自的厚度為1μm以上。

本發(fā)明的有益效果

根據(jù)以上所述，充分實現(xiàn)了提高覆膜強度的效果，并且進一步地，能夠防止晶粒粗化，并且能夠防止冷卻時覆膜內(nèi)產(chǎn)生裂縫。

具體實施方式

[本發(fā)明實施方案的描述]

首先，將基于下列特征對本發(fā)明進行描述。

[1]根據(jù)本發(fā)明的一個方面的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜。所述覆膜包括含有多個α-Al₂O₃晶粒的α-Al₂O₃層。所述α-Al₂O₃層包括設(shè)置在基材側(cè)的下層部、設(shè)置在下層部上的中間部以及設(shè)置在中間部上的上層部。在晶體取向成像中，所述下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％，所述晶體取向成像是利用電子背散射衍射分析裝置，對α-Al₂O₃層的截面拋光面進行的。在所述晶體取向成像中，所述中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。在所述晶體取向成像中，所述上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。所述α-Al₂O₃層的厚度為4μm至18μm，中間部的厚度占α-Al₂O₃層的厚度的50％以上，并且下層部和上層部各自的厚度為1μm以上。在具有上述特定特征的切削工具中，充分實現(xiàn)了提高覆膜強度的效果，并且進一步地，能夠防止晶粒粗化，并且能夠防止冷卻時覆膜內(nèi)產(chǎn)生裂縫。

[2]優(yōu)選地，在晶體取向成像中，所述下層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。由此，抑制晶粒粗化的效果能夠得到增強。

[3]優(yōu)選地，在晶體取向成像中，所述上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。由此，抑制冷卻時覆膜內(nèi)出現(xiàn)裂縫的效果能夠得到增強。

[本發(fā)明實施方案的詳述]

以下將進一步詳細地描述本發(fā)明的實施方案(以下也稱為“本實施方案”)。

<表面被覆切削工具>

根據(jù)本實施方案的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜。覆膜優(yōu)選被覆基材的全部表面。然而，即使是基材的一部分未被覆膜被覆或者覆膜的組成和結(jié)構(gòu)部分不同的切削工具也沒有背離本實施方案的范圍。

本實施方案中的表面被覆切削工具可以適當?shù)赜米鳛橐韵虑邢鞴ぞ撸玢@頭、端銑刀、鉆頭用可轉(zhuǎn)位刀片、端銑刀用可轉(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、鉸刀或絲錐等。

<基材>

作為基材，可以采用任何常規(guī)已知的基材作為這種類型的基材。例如，基材優(yōu)選為以下物質(zhì)的任一者：硬質(zhì)合金(例如包括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以及另外的Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬質(zhì)合金)、金屬陶瓷(具有諸如TiC、TiN、TiCN等主成分)、高速鋼、陶瓷材料(如碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁或氧化鋁等)、立方氮化硼燒結(jié)體和金剛石燒結(jié)體。

在這些多種的基材中，優(yōu)選選擇硬質(zhì)合金(特別是WC基硬質(zhì)合金)或金屬陶瓷(特別是TiCN基金屬陶瓷)。這是因為這些基材在高溫下的硬度和強度之間的平衡性是特別優(yōu)異的，并且具有作為針對上述用途的表面被覆切削工具的基材的優(yōu)異特性。

在表面被覆切削工具為可轉(zhuǎn)位刀片等的情況中，基材可以具有斷屑器或不具有斷屑器。此外，切削刃棱線的形狀可為以下任一種情況：尖銳的邊緣(前刀面與后刀面彼此相交的脊部)、珩磨邊緣(被加工成圓形的尖銳邊緣)、負刃帶(negative land)(斜面)、以及珩磨邊緣和負刃帶的組合。

<覆膜>

覆膜包括含有多個α-Al₂O₃(具有α-型晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋁)晶粒的α-Al₂O₃層。例如，覆膜可以由多個層構(gòu)成，所述層包括至少一個含有多個α-Al₂O₃晶粒的α-Al₂O₃層，并進一步包括其他層。α-Al₂O₃層包括含有多個α-Al₂O₃晶粒的多晶α-Al₂O₃。α-Al₂O₃晶粒通常的粒徑約為0.1μm至2μm。

覆膜的厚度為4μm至45μm(4μm以上45μm以下，但應(yīng)注意的是，在本文中用“-”或“至”表示的數(shù)值范圍包括上限和下限的數(shù)值)。優(yōu)選地，覆膜的厚度為5μm至35μm。如果該厚度小于4μm，則可能耐磨損性不足。如果該厚度超過45μm，當在斷續(xù)加工等過程中覆膜與基材之間受到大的應(yīng)力時，覆膜可能會非常頻繁地發(fā)生剝落或破損。應(yīng)當注意的是在本文中，覆膜、各種膜和層(如下文描述的α-Al₂O₃層、TiCN層等)的“厚度”是指“平均厚度”。

上述其他層的實例可以為TiCNO層、TiBN層、TiC層、TiN層、TiAlN層、TiSiN層、AlCrN層、TiAlSiN層、TiAlNO層、AlCrSiCN層、TiCN層、TiSiC層、CrSiN層、AlTiSiCO層或TiSiCN層等。本文中，當類似于上述那些用化學式表示化合物時，對于原子比沒有特別限制的情況下，則化合物包括具有任意常規(guī)已知的全部原子比的化合物，并且所述化合物不必限于具有化學計量比的化合物。

例如，在表達式“TiAlN”的情況中，TiAlN構(gòu)成元素之間的原子數(shù)比率并非限制為Ti:Al:N＝0.5:0.5:1，其包括全部常規(guī)已知的原子數(shù)比。這也適用于除了“TiAlN”之外的其他化合物的表達式。此外，在本實施方案中，金屬元素(如Ti、Al、Si、Zr或Cr)以及非金屬元素(如N(氮)、O(氧)或C(碳))可以不必構(gòu)成化學計量組成。

其他層的實例例如為TiCN層。該TiCN層設(shè)置在α-Al₂O₃層和基材之間。該TiCN層具有優(yōu)異的耐磨損性，因此可以賦予覆膜更高的耐磨性。TiCN層特別優(yōu)選由MT-CVD(中溫CVD)法形成?？梢允褂肕T-CVD法在約850℃,至900℃的相對低的溫度下形成層，并且可以減少在形成層的過程中由于加熱所造成的基材的損壞。

TiCN層的厚度優(yōu)選為2μm至20μm。如果該厚度小于2μm，則存在磨損易于增加的可能性。如果該厚度超過20μm，則耐崩裂性可能會劣化。

作為其他層，最外表面層和中間層等可以包含在覆膜中。最外表面層是位于覆膜的最外表面位置上的層。中間層是例如設(shè)置在最外表面層和α-Al₂O₃層之間、α-Al₂O₃層和TiCN層之間、或TiCN層和基材之間的層。最外表面層的實例例如可以是TiN層。中間層的實例例如可以是TiCNO層。

<α-Al₂O₃層>

α-Al₂O₃層包括設(shè)置在基材側(cè)的下層部、設(shè)置在所述下層部上的中間部和設(shè)置在所述中間部上的上層部。

在晶體取向成像中，下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。該晶體取向成像是利用電子背散射衍射(EBSD)分析裝置，對α-Al₂O₃層的截面拋光面進行的。

在該晶體取向成像中，中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。在該晶體取向成像中，上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。

在本實施方案的表面被覆切削工具中，中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。該α-Al₂O₃層具有特定方向((001)面的方向)的取向，相應(yīng)地，可以充分實現(xiàn)改善覆膜強度的效果。此外，由于下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％，因此能夠防止α-Al₂O₃晶粒的粗化，并且能夠抑制耐磨性的劣化。另外，由于上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％，因此能夠防止冷卻時覆膜中出現(xiàn)裂縫并且能夠抑制耐崩裂性的劣化。即，由于包括這樣的下層部和上層部，所以能夠抑制由α-Al₂O₃層的(001)面方向上的過強取向所導致的缺點，即，能夠防止α-Al₂O₃晶粒的粗化，并且能夠抑制冷卻時覆膜中出現(xiàn)裂縫。

在本文中“具有(001)取向的α-Al₂O₃晶?！笔侵赶鄬τ诨牡谋砻?位于覆膜表面?zhèn)壬系谋砻?的法線方向，(001)面的傾斜角(即，傾斜角是由基材表面的法線和(001)面的法線所形成的角)為0°至10°的α-Al₂O₃晶粒。在α-Al₂O₃層中，可以通過具有EBSD裝置的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)來證實任意α-Al₂O₃晶粒是否具有(001)取向。EBSD基于由背散射電子產(chǎn)生的Kikuchi衍射圖案的自動分析。

例如，使用具有EBSD裝置的FE-SEM，沿著包含基材表面的法線的平面獲取截面拋光面的圖像，所述截面拋光面是α-Al₂O₃層的截面(α-Al₂O₃層的垂直截面)(事實上截面拋光面是將在下文中進行描述的已經(jīng)被拋光的截面)。接著，計算由獲取圖像的各像素的(001)面的法線與基材表面的法線(即，在截面拋光面內(nèi)與α-Al₂O₃層的厚度方向平行的直線方向)所形成的角度。然后，選擇該角度在0°至10°范圍內(nèi)的像素。選定的像素對應(yīng)于相對于基材表面，(001)面的傾斜角為0°至10°的α-Al₂O₃晶粒，即，具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒。

基于由晶體取向成像獲得的彩色圖，計算在α-Al₂O₃層的截面拋光面的預定區(qū)域內(nèi)具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比。通過將選定的像素與截面拋光面的α-Al₂O₃層的特定顏色相區(qū)分，從而制作彩色圖。晶體取向成像為選定的像素分配預定的顏色，因此，以所分配的顏色作為指示劑，能夠計算在預定的區(qū)域內(nèi)具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比。可以通過市售軟件(由EDAX制造，商標名為“Orientation Imaging Microscopy Ver 6.2”)來進行上述角度的計算、角度在0°至10°范圍內(nèi)的像素的選擇以及面積比的計算。

通過前述晶體取向成像，本實施方案中的α-Al₂O₃層被確定為包括這樣的下層部：其設(shè)置在基材側(cè)，并且其中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。此外，α-Al₂O₃層被確定為包括這樣的中間部：其設(shè)置在下層部上，并且其中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。此外，α-Al₂O₃層被確定為包括這樣的上層部：其設(shè)置在中間部上，并且其中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％。應(yīng)當注意，為了計算具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比，可以在2000x至20000x的范圍內(nèi)適當?shù)剡x擇FE-SEM的觀察放大率?？梢哉{(diào)整視野數(shù)(約1至10個)，從而使觀察的面積為200μm²至10000μm²，例如250μm²。

在晶體取向成像中，下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比優(yōu)選為30％以下。這是因為如此能夠有效地抑制α-Al₂O₃晶粒粗化。在晶體取向成像中，中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比優(yōu)選為40％以上。這是因為在(001)面方向上的取向能夠充分有利地獲得提高覆膜強度的效果。在晶體取向成像中，上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比優(yōu)選為30％以下。這是因為如此能夠在冷卻和使用時有效地防止覆膜中產(chǎn)生裂縫。

在晶體取向成像中，下層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比的下限值優(yōu)選為0％。中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比的上限值優(yōu)選為100％。上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比的下限值優(yōu)選為0％。具有上述面積比范圍的各層部能夠產(chǎn)生上述效果。

<α-Al₂O₃層的厚度>

α-Al₂O₃層的厚度為4μm至18μm。這樣的厚度使得耐磨性和耐崩裂性得以改進。也可以得到抑制工件附著的效果。特別地，α-Al₂O₃層的厚度優(yōu)選為5μm至15μm。如果α-Al₂O₃層的厚度小于4μm，則厚度過小，可能無法獲得改進耐磨性的效果以及抑制工件附著的效果。如果α-Al₂O₃層的厚度超過18μm，則厚度過大，并且存在覆膜可能剝落以及耐崩裂性劣化的可能。

<中間部的厚度與α-Al₂O₃層的厚度的比率>

中間部的厚度占α-Al₂O₃層厚度的50％以上。相應(yīng)地，具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒占全部α-Al₂O₃層的面積比高，因此，可以充分地得到改善覆膜強度的效果。中間部厚度的比率的上限為80％。如果中間部厚度的比率超過上述上限值，即80％，則上層部或下層部的厚度過薄，有可能不能充分獲得抑制α-Al₂O₃晶粒粗化的效果或抑制產(chǎn)生裂縫的效果。中間部的厚度占α-Al₂O₃層厚度的最佳比率為55％至65％。

在此，可以通過以下方式計算各下層部、中間部和上層部的厚度。即，在上述截面拋光面上，沿著基材表面的法線方向，在由α-Al₂O₃層的表面(覆膜表面一側(cè)的表面)朝向基材的方向上連續(xù)地利用具有EBSD裝置的FE-SEM拍攝1μm×1μm范圍的圖像，并計算具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比。首先，將具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％的區(qū)域確定為上層部。隨后，當發(fā)現(xiàn)該面積比為35％以上的區(qū)域時，將該區(qū)域確定為中間部。此后，當再次發(fā)現(xiàn)該面積比小于35％的區(qū)域時，將該區(qū)域確定為下層部。在下層部、中間部和上層部確定后，在五個位置處再次拍攝1μm×1μm范圍的圖像，這五個位置在截面拋光面的各特定部分內(nèi)是不均勻分布的。由此，可以確定各層部的厚度。

因此，在本實施方案中，中間部的厚度占α-Al₂O₃層厚度的50％以上。此外，下層部和上層部各自的厚度為1μm以上。

可通過觀察上述截面拋光面來測定α-Al₂O₃層的厚度。例如，可以利用具有能量分散X-射線光譜(EDS)分析儀的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，通過觀察α-Al₂O₃層的截面拋光面，從而測定α-Al₂O₃層的厚度?？梢杂^察在α-Al₂O₃層的截面拋光面上的多個位置，并且可以確定在這些位置處的各厚度的平均值。在本實施方案中，α-Al₂O₃層的厚度為4μm至18μm。

<在下層部和上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒>

在晶體取向成像中，優(yōu)選地，α-Al₂O₃層的下層部中的具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。α-Al₂O₃的熱膨脹系數(shù)在(110)面的法線方向上高，在與(110)面平行的方向上低。因此，可以使下層部的熱膨脹系數(shù)比較低，以有效地防止冷卻時在覆膜中產(chǎn)生裂縫，并且有利地抑制耐崩裂性的劣化。此外，在用于獲得(001)取向的成膜條件下，α-Al₂O₃晶粒有可能粗化。因此，通過設(shè)置不具有(001)取向的α-Al₂O₃層來抑制該現(xiàn)象。由此，可以有效地防止由于α-Al₂O₃晶粒粗化而導致硬度的降低，并且可以有利地抑制耐磨損性的劣化。

在晶體取向成像中，α-Al₂O₃層的上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比優(yōu)選為40％。因此，可以有效地防止在使用中覆膜產(chǎn)生裂縫，并且可以有利地抑制耐崩裂性的劣化。

據(jù)認為，隨著取向晶面之間的角度(取向差)增大，裂縫不太容易蔓延，并且能夠獲得抑制切削刃崩裂的效果。因此，當在取向晶粒之間的角度大約為90°的晶粒共存于層中時，能夠有效地獲得抑制裂縫產(chǎn)生和蔓延的效果。

α-Al₂O₃晶粒的(110)面與(001)面形成90°的角度。因此，在本實施方案中，控制具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的上層部和下層部，從而使這些層具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒，由此能夠獲得抑制裂縫產(chǎn)生的效果以及抑制晶粒粗化的效果這兩個效果。

與此相反，α-Al₂O₃層的中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。在本實施方案的表面被覆切削工具中，中間部中(001)面方向的這種取向使得能夠獲得提高覆膜強度的效果。

還可以利用電子背散射衍射分析裝置，由α-Al₂O₃層的截面拋光面的晶體取向成像來測定各下層部和上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。在此“具有(110)取向的α-Al₂O₃晶?！笔侵赶鄬τ诨谋砻娴姆ň€，(110)面的傾斜角(即，該傾斜角是由基材表面的法線和(110)面的法線所形成的角度)為0°至10°的α-Al₂O₃晶粒。

具體地，使用具有EBSD裝置的FE-SEM來拍攝α-Al₂O₃層的截面拋光面的圖像，并使用前述市售軟件來計算由拍攝圖像中的每個像素的(110)面的法線方向與基材表面的法線方向所形成的角度，并選擇該角度在0°至10°的像素。隨后，對于晶體取向成像，通過利用特定顏色對選定的像素進行區(qū)分從而創(chuàng)建彩色圖?；谧鳛橹甘緞┑牟噬珗D的顏色，能夠計算在α-Al₂O₃層的各下層部和上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比。

根據(jù)晶體取向成像，確定在各下層部和上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。應(yīng)當注意的是，對于具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒面積比的計算而言，優(yōu)選如上所述適當?shù)剡x擇FE-SEM的觀察倍率，并且優(yōu)選調(diào)整視野數(shù)目，從而獲得適當?shù)挠^察區(qū)域。

應(yīng)當注意的是，在下層部和上層部中具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比優(yōu)選較高，并且該面積比的上限理想為100％。具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比高能夠產(chǎn)生抑制下層部中晶粒粗化的效果，并能產(chǎn)生抑制上層部中產(chǎn)生裂縫的效果。

<α-Al₂O₃層截面的拋光>

在下文中，將對用于制備α-Al₂O₃層的截面(截面拋光面)的拋光方法進行描述。該截面對于計算具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比以及具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比來說是必要的，或者對于α-Al₂O₃層厚度的測定以及中間部厚度的測定來說是必要的。

首先，基于下述的制造方法形成α-Al₂O₃層。以獲得與α-Al₂O₃層垂直的截面的方式，切割所形成的α-Al₂O₃層(即，沿著包括基材表面的法線的平面切割α-Al₂O₃層，并將得到的截面露出)。此后，用防水砂紙(包括作為磨料的碳化硅磨料)對此截面表面進行拋光。

按照如下所述切割α-Al₂O₃層。例如，將α-Al₂O₃層的表面(在α-Al₂O₃層上形成有另一層的情況下，為覆膜的表面)設(shè)置為與蠟等相互密著固定在足夠大的保持用平板上。此后，使用具有旋轉(zhuǎn)刀片的切割器沿著與平板垂直的方向切割α-Al₂O₃層(利用設(shè)置為與該平板盡可能垂直的旋轉(zhuǎn)刀片切割α-Al₂O₃層)。只要在該垂直方向上切割α-Al₂O₃層，則可以切割α-Al₂O₃層的任意部分。

利用防水砂紙按照#400、#800和#1500的順序進行上述拋光(防水砂紙的編號(#)表示磨料的粒度之間的差異，并且編號越大表示磨料的粒度越小)。

隨后，利用Ar離子通過離子研磨法進一步使截面拋光面光滑化。離子研磨的條件如下所示。

加速電壓：6kV

離子束入射角：距基材表面的法線方向為0°

離子束輻射時間：6小時

此后，可以利用具有EBSD裝置的FE-SEM觀察α-Al₂O₃層的平滑截面拋光面。例如，可以使用具有HKL NL02 EBSD檢測器的Zeiss Supra 35VP(由Carl Zeiss制造)。可以通過將聚焦電子束單獨照射到各像素上從而連續(xù)地收集EBSD數(shù)據(jù)。

<表面被覆切削工具的制造方法>

可以通過以下方式來制造本實施方案的表面被覆切削工具。

首先，燒結(jié)基材用原料，以制備(例如)硬質(zhì)合金制基材。隨后，根據(jù)需要，使用常規(guī)手段(如刷子或塑料介質(zhì))對基材的切削刃棱線附近的區(qū)域進行珩磨。

然后，通過化學氣相沉積(CVD)法可適當?shù)卦诨纳闲纬筛材?。在使用CVD法的情況下，沉積溫度為800℃至1200℃。這個溫度高于物理氣相沉積法的溫度，從而提高了覆膜和基材之間的密著性。在除了α-Al₂O₃層以外的任何層形成為覆膜的層的情況下，可以在常規(guī)已知的條件下形成這些層。

為了形成α-Al₂O₃層，例如，可以使用AlCl₃、HCl、CO₂、H₂S和H₂作為原料。含量分別為：0.5體積％至5體積％的AlCl₃、1體積％至5體積％的HCl、0.3體積％至3體積％的CO₂、0.05體積％至1.5體積％的H₂S，余量為H₂。此外，CVD裝置的條件包括：950℃至1050℃的溫度、1kPa至20kPa的壓力以及10L/min至150L/min的氣體流速(總氣體量)。

應(yīng)當注意的是，可通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)沉積時間來調(diào)整α-Al₂O₃層的厚度以及除了α-Al₂O₃層之外各層的厚度(各層的沉積速率為約0.5μm/小時至2.0μm/小時)。

在形成覆膜之后，可以根據(jù)需要基于以下各種方法中的任意一種進行表面處理，所述方法例如刷光、或噴丸(如噴砂、濕噴丸、噴丸硬化等)、或PVD轟擊。由此可以將壓縮應(yīng)力施加至覆膜。

實施例

下文中，將參照以下實施例對本發(fā)明進行更加詳細的描述。然而，本發(fā)明不限于下述實施例。

<基材的制備>

原料粉末具有如下組成：6.5質(zhì)量％的Co、1.2質(zhì)量％的TaC、0.5質(zhì)量％的ZrC，和余量為WC，利用Attritor(濕式介質(zhì)攪拌型精細研磨機，商標(型號)：“濕式Attritor 100S”，由Nippon Coke&Engineering制造)將上述原料粉末濕式混合10小時，此后進行干燥。此后，利用100MPa的壓力使壓坯擠壓成型，將該壓坯置于真空容器中，并在2Pa的真空中，在1440℃下保持1小時。

接著，將壓坯由真空容器中取出，對底面進行表面拋光處理，然后進行切削刃處理。即，使用SiC刷對前刀面進行0.6mm的珩磨，從而制備具有JIS標準(日本工業(yè)標準)B 4120(2013)定義的CNMA120408形狀的WC硬質(zhì)合金基材(由住友電子工業(yè)株式會社制造)。如下文將描述的，對于用于形成α-Al₂O₃層的不同條件組合，制備多個基材。

<覆膜的形成>

在以上述方式獲得的各基材的表面上形成覆膜。具體地說，在CVD裝置中設(shè)置基材，并利用CVD法在基材上形成覆膜。在下表1、表2、表3和表4中示出了用于形成覆膜的條件。表1示出了形成除了α-Al₂O₃層之外的各層的條件(溫度條件、壓力條件和厚度)。表2示出了用于形成除了α-Al₂O₃層之外的各層的原料氣體的組成(體積％)。應(yīng)當注意的是，用于形成α-Al₂O₃層之外其他各層的條件和原料氣體組成對于各基材來說是共通的。

表3示出了用于形成α-Al₂O₃層的原料氣體組成(體積％)、以及原料氣體的溫度條件和壓力條件。如表3所示，形成α-Al₂O₃層的原料氣體的氣體條件有四種“a”至“d”。在本實施例中，這四種氣體條件中的氣體條件的組合例如適用于形成下層部、中間部和上層部。以這種方式，形成15種(樣品1至15)α-Al₂O₃層。表4示出了適用于形成各樣品的下層部、中間部和上層部的原料氣體的氣體條件(a至d)、以及各層部的厚度。以上述方式測量表1和表4中示出的α-Al₂O₃層的厚度以及除了α-Al₂O₃層之外的各層的厚度。在這些表中所示出的厚度為在五個位置處所測量的厚度的平均值。

以如下方式形成各層部。例如，在樣品5的情況中，在氣體條件“d”下以特定時間形成下層部。此后，將氣體條件(氣體組成)變?yōu)椤癮”，以形成中間部。此后，將氣體條件變?yōu)椤癲”，從而形成上層部。

在表4中，樣品12為由一層形成的α-Al₂O₃層，并且如下文中將進行詳細描述的，該一層中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為80％。因此，用于形成該α-Al₂O₃層的氣體條件以及該層的厚度在表中樣品12的中間部的格中示出。樣品13為由兩層形成的α-Al₂O₃層，并且這兩個層從基材側(cè)開始依次對應(yīng)于具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為15％的層以及具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為75％的層。因此，用于形成這些層的各氣體條件以及各層厚度在表中示出于樣品13的下部層和上部層的格中。

通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)形成層的沉積時間，從而能夠調(diào)整α-Al₂O₃層的厚度以及除了α-Al₂O₃層之外各層的厚度。在表1和表2中，MT-TiCN表示由MT-CVD法形成的TiCN層，HT-TiCN表示由HT-CVD(高溫CVD)法形成的TiCN層。TiN(第一層)意味著在基材上首先形成TiN層。在本實施例中，覆膜的組成由基材開始依次為TiN層、MT-TiCN層、HT-TiCN層、TiCNO層和α-Al₂O₃層。α-Al₂O₃層的組成由基材開始依次為下層部、中間部和上層部。在本實施例中，α-Al₂O₃層的上層部位于覆膜的最外表面。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

<表面處理>

對其中形成有覆膜的各樣品進行噴丸，從而向覆膜施加壓縮壓力。

<α-Al₂O₃層取向性的測定>

對于以上述方式獲得的各樣品，沿著包含基材表面的法線的平面切割α-Al₂O₃層，并且如上所述對得到的截面(與α-Al₂O₃層垂直的截面)進行拋光。此外，如上所述利用具有EBSD裝置的FE-SEM(商標(型號)：“SU6600”，由Hitachi High-Technologies公司制造)觀察α-Al₂O₃層的截面拋光面，從而測定α-Al₂O₃晶粒的晶體取向。具體而言，通過上述晶體取向成像，計算在α-Al₂O₃層的各下層部、中間部和上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比、以及具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比。根據(jù)上述定義確定晶粒是具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒還是具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒。為了計算具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比以及具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比，使用20000x的觀察放大倍率，并調(diào)整視野數(shù)目，從而獲得200μm²的觀察面積。

由上述取向性測定中獲得的具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比以及具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比在下表5中示出。在表5中，還示出了α-Al₂O₃層的厚度(μm)、以及中間部的厚度與α-Al₂O₃層厚度之比(中間部的厚度/α-Al₂O₃層的厚度)(％)。

<切削試驗>

對于各樣品，即切削工具，在以下條件下進行了切削試驗。

工件：FCD450圓棒

切削速度：250m/min

進給：0.30mm/rev

切削深度：1.5mm

切削油：濕式(水溶性油)

評價：后刀面磨損寬度≥0.3mm表示到達使用壽命終點。

對于切削試驗，將切削工具置于切削器上，并切割工件。每30秒從切削器移除切削工具，并測量后刀面磨損量。將后刀面磨損量超過0.3mm的時間視為使用壽命，并基于此進行評價。切削工具的該時間越長，相應(yīng)地其使用壽命也越長。因此，該切削工具能夠被評價為具有以下效果：即提高了覆膜強度，并且能夠抑制例如晶粒的粗化以及裂縫的產(chǎn)生。這些結(jié)果也在表5中示出。

表5的“備注”欄表示在切削試驗期間和之后，通過對各樣品進行觀察而識別出的工具形狀的變化。在表5的“備注”欄中，“性能良好”是指使用壽命為8分鐘以上，并且在達到使用壽命終點之前未觀察到表明(例如)崩裂出現(xiàn)或磨損顯著增加的任何形狀變化。

此外，“崩裂出現(xiàn)”是指在切削試驗期間出現(xiàn)崩裂從而達到使用壽命終點。“磨損大”是指在切削試驗期間磨損顯著增加從而達到使用壽命終點?！案材冸x”是指在切削試驗期間覆膜剝離從而達到使用壽命終點。

<試驗結(jié)果及分析>

如表5所示，本實施例(樣品1、2、5、6、7、8、10和14)的α-Al₂O₃層分別由下層部和上層部以及中間部構(gòu)成，下層部和上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比小于35％，中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為35％以上。此外，α-Al₂O₃層的厚度為4μm至18μm，并且中間部的厚度占α-Al₂O₃層厚度的比率為50％以上。下層部和下層部各自的厚度為1μm以上。這些樣品被評價為展示出“性能良好”。

特別地，除了在下層部、中間部和上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的上述特征之外，樣品5、6和7還具有的特征在于，至少在上層部或下層部中，具有(110)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％以上。這些樣品的使用壽命為11分鐘以上，并展示出更好的性能。

然后，對比較例(樣品3、4、9、11、12、13和15)的α-Al₂O₃層進行了分析。關(guān)于樣品3，上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％，評價結(jié)果為“出現(xiàn)崩裂”，并且使用壽命為6分鐘。據(jù)認為其原因是事實上在工具冷卻時覆膜內(nèi)出現(xiàn)裂縫。關(guān)于樣品4，上層部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為40％，評價結(jié)果為“磨損大”，并且使用壽命為6分鐘。據(jù)認為其原因是事實上在覆膜形成過程中α-Al₂O₃晶粒變粗。

關(guān)于樣品9，中間部的厚度占α-Al₂O₃層厚度的比率小于50％，評價結(jié)果為“磨損大”，并且使用壽命為5分鐘。據(jù)認為其原因是事實上在α-Al₂O₃層內(nèi)具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比低，并且不能充分獲得提高覆膜強度的效果。關(guān)于樣品11，α-Al₂O₃層的厚度為20μm，評價結(jié)果為“覆膜剝離”，使用壽命為3分鐘。據(jù)認為其原因是α-Al₂O₃層的厚度過大。

關(guān)于樣品12和13，α-Al₂O₃層由一層或兩層制成，在一些情況下，評價結(jié)果為“出現(xiàn)崩裂”且評價結(jié)果為“磨損大”。使用壽命為5分鐘或6分鐘。據(jù)認為其原因是事實上在α-Al₂O₃層內(nèi)缺少下層部、中間部和上層部中的任一者引起了不利方面。關(guān)于樣品15，中間部中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比為30％，評價結(jié)果為前刀面的“磨損大”，并且使用壽命為6分鐘。據(jù)認為其原因是事實上α-Al₂O₃層中具有(001)取向的α-Al₂O₃晶粒的面積比低，并且不能充分獲得提高覆膜強度的效果。

因此，本實施例的表面被覆切削工具優(yōu)于比較例的表面被覆切削工具，這是因為通過(001)面方向的取向性，充分獲得了提高覆膜強度的效果，進一步能夠抑制冷卻時晶粒的粗化以及覆膜中裂縫的產(chǎn)生，而這是由在(001)面方向上的過強取向?qū)е碌牟焕矫妗?/p>

雖然以上已經(jīng)對本發(fā)明的實施方案和實施例進行了描述，但是愿意是實施方案和實施例的上述特征可以適當?shù)亟M合或以各種方式進行修改。

應(yīng)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)明的范圍旨在由權(quán)利要求書的權(quán)項、而不是上述實施方案來限定，并且旨在包括與權(quán)利要求書的權(quán)項等同的范圍和含義內(nèi)的全部修改。