被覆工具的制作方法

本发明涉及在基体的表面具有被覆层的被覆工具。

背景技术：

一直以来，已知在超硬合金、金属陶瓷、陶瓷等的基体表面形成有单层或多层碳化钛层、氮化钛层、碳氮化钛层、氧化铝层以及氮化钛铝层等被覆层而成的切削工具等的被覆工具。

随着最近的切削加工的高效率化，这样的切削工具被应用于大的冲击施加于切削刃的重型断续切削等的机会增加。在这样苛刻的切削条件下，大的冲击施加于被覆层，容易产生被覆层的卷刃、剥离。因此，要求提高被覆层的耐缺损性而抑制被覆层的卷刃、剥离。

作为在上述切削工具中提高耐缺损性的技术，在专利文献1中，公开了通过使氧化铝层的粒径与层厚适当化并且使(012)面的组织化系数(Texture Coefficient：取向系数)为1.3以上，能够形成致密且耐缺损性高的氧化铝层的技术。另外，在专利文献2中，公开了通过使氧化铝层的(012)面的组织化系数为2.5以上，从而氧化铝层中的残余应力容易解放，能够提高氧化铝层的耐缺损性的技术。

在专利文献3中，作为在上述切削工具中提高耐磨损性的技术，公开了使位于中间层的正上方的氧化铝层通过将示出不同的X射线衍射图案的2层以上的单位层层叠而成，由此能够提高被膜的强度以及韧性的技术。

在专利文献4中，公开了将氧化铝层的(006)面取向系数提高为1.8以上，且将(104)面与(110)面的峰值强度比I(104)/I(110)控制为规定的范围的切削工具。

并且，在专利文献5中，公开了使氧化铝层的(104)面与(012)面的峰值强度比I(104)/I(012)在氧化铝层的第二面比下侧的第一面大的切削工具。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许平6-316758号公报

专利文献2：日本特开2003-025114号公报

专利文献3：日本特开平10-204639号公报

专利文献4：日本特开2013-132717号公报

专利文献5：日本特开2009-202264号公报

技术实现要素：

用于解决课题的方案

本实施方式的被覆工具具备基体和在该基体的表面设置的被覆层，在所述被覆层上具有切削刃和后刀面，所述被覆层包括依次层叠有至少碳氮化钛层与α型结晶构造的氧化铝层的部位，在基于通过X射线衍射分析而分析出的所述氧化铝层的峰值而将由下式表示的值作为取向系数Tc(hkl)时，从所述后刀面中的所述氧化铝层的表面侧进行的测定中检测出的取向系数Tc1(146)为1.0以上，

取向系数Tc(hkl)＝{I(hkl)/I₀(hkl)}/〔(1/8)×∑{I(HKL)/I₀(HKL)}〕，

这里，(HKL)是(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(146)的结晶面，

I(HKL)以及I(hkl)是在所述氧化铝层的X射线衍射分析中检测出的归属于各结晶面的峰值的峰值强度，

I₀(HKL)以及I₀(hkl)是JCPDS卡片No.00-010-0173中记载的各结晶面的标准衍射强度。

附图说明

图1是本实施方式的被覆工具的一个实施例即切削工具的示意立体图。

图2是图1的切削工具的示意剖视图。

具体实施方式

对示出本实施方式的被覆工具的一个实施方式的切削工具(以下，仅简称为工具)1而言，如图1所示，工具1的一个主面构成前刀面2，侧面构成后刀面3，前刀面2与后刀面3所构成的交叉棱线部构成切削刃4。

另外，如图2所示，工具1具备基体5、和在该基体5的表面设置的被覆层6。被覆层6从基体5侧起依次由基底层7、碳氮化钛层8、中间层9、氧化铝层10以及表层11层叠而成。需要说明的是，氧化铝层10由α型结晶构造构成。

在本实施方式中，通过X射线衍射分析而在氧化铝层10的峰值中，将由下式表示的值定义为取向系数Tc(hkl)。

取向系数Tc(hkl)＝{I(hkl)/I₀(hkl)}/〔(1/8)×∑{I(HKL)/I₀(HKL)}〕，

这里，(HKL)为(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(146)的结晶面，

I(HKL)以及I(hkl)是在氧化铝层10的X射线衍射分析中检测出的归属于各结晶面的峰值的峰值强度，

I₀(HKL)以及I₀(hkl)是在JCPDS卡片No.00-010-0173中记载的各结晶面的标准衍射强度。

而且，将从后刀面3中的氧化铝层10的表面侧测定出的表面侧峰值的取向系数定义为Tc1，在后刀面3中对氧化铝层10的一部分进行研磨而仅残留有氧化铝层10的基体侧部分的状态下进行的测定中检测出的基体侧峰值的取向系数定义为Tc2，将从前刀面2中的氧化铝层10的表面侧测定出的表面侧峰值的取向系数定义为Tc3。

根据本实施方式，取向系数Tc1(146)为1.0以上。由此，氧化铝层10的耐磨损性提高。其结果是，工具1成为能够长期使用的工具1。即，认为若取向系数Tc(146)变高，换言之若(146)面的峰值强度I(146)的比率变高，则相对于从氧化铝层10的表面侧沿成膜方向(与表面垂直的方向)施加的冲击，构成氧化铝层10的氧化铝结晶容易变形，从而对破坏的耐性变高。因此，认为通过在氧化铝层10的表面侧提高取向系数Tc(146)，从而在氧化铝层10的表面产生的微小卷刃得到抑制，能够抑制因微小卷刃引起的磨损的进展。Tc1(146)的优选范围是1.1～5.0，尤其优选的范围是1.5～3.5，进一步优选的范围是1.8～3.0。

在此，根据本实施方式，在对Tc1(146)与Tc2(146)进行比较时，Tc1(146)比Tc2(146)大。即，Tc2(146)比Tc1(146)小。若取向系数Tc1(146)变高，则向与氧化铝层10的表面平行的方向的热膨胀率变大，因此与比氧化铝层10靠基体侧的基底层的中间层9、碳氮化钛层8的热膨胀率之差变大，处于氧化铝层10变得容易剥离的趋势。

于是，通过使Tc2(146)比Tc1(146)小，能够抑制氧化铝层10的剥离。Tc2(146)的优选范围是0.3～1.5。

另外，对氧化铝层10的Tc1(146)与Tc2(146)的测定方法进行说明。氧化铝层10的X射线衍射分析利用使用了通常的CuKα线的X射线衍射分析的装置进行测定。在从X射线衍射图求出氧化铝层10的各结晶面的峰值强度时，对在JCPDS卡片的No.00-010-0173中记载的各结晶面的衍射角进行确认，从而对检测出的峰值的结晶面进行确定并测定其峰值强度。

在此，通过X射线衍射分析检测出的峰值的确定使用JCPDS卡片来进行，但有时峰值的位置会因存在于被覆层6的残余应力等而偏离。因此，为了对检测出的峰值是否为氧化铝层10的峰值进行确认，在将氧化铝层10研磨后的状态下进行X射线衍射分析，并对在研磨的前后检测出的峰值进行比较。能够根据该差异来确认出是氧化铝层10的峰值。

为了测定Tc1(hkl)，对从后刀面3中的氧化铝层10的表面侧测定出的表面侧峰值进行测定。具体而言，从氧化铝层10的表面侧起包括氧化铝层10的基体5侧在内，对氧化铝层10的峰值强度进行测定。更详细而言，在将表层11研磨去除后的状态或者不对表层11进行研磨的状态下，对被覆层6进行X射线衍射分析。对所得到的各峰值的峰值强度进行测定，从而算出取向系数Tc1(hkl)。需要说明的是，在将表层11研磨去除时，也可以将氧化铝层10的厚度的20％以下的厚度去除。另外，即使是在不对表层11进行研磨的状态下进行X射线衍射分析的情况下，只要能够测定氧化铝的八个峰值即可。需要说明的是，表面侧峰值虽然也包括氧化铝层10的基体5侧的取向状态在内而被检测，但由于氧化铝层10的接近X射线衍射分析的测定面的位置的组织状态受峰值的较大影响，因此基体5侧的取向状态对表面侧峰值产生的影响小。对于Tc3(hkl)，也基于前刀面2中的氧化铝层10的表面侧峰值而同样地进行测定。

为了测定Tc2(hkl)，在对后刀面3的氧化铝层10的一部分进行研磨而仅残留有氧化铝层10的基体侧部分的状态下，对峰值强度进行测定。具体而言，首先，对被覆层6的氧化铝层10进行研磨直至其相对于氧化铝层10的研磨前的厚度而成为10～40％的厚度。研磨通过使用金刚石磨粒的抛光加工、利用弹性磨石的加工、或喷砂加工等进行。然后，对氧化铝层10的被研磨的部分，利用与氧化铝层10的表面侧部分的测定相同的条件进行X射线衍射分析，测定氧化铝层10的峰值并算出取向系数Tc2(hkl)。

需要说明的是，取向系数Tc根据相对于由JCPDS卡片规定的无取向的标准数据的比率来求出，因此是表示各结晶面的取向程度的指标。另外，Tc(hkl)的“(hkl)”表示算出取向系数的结晶面。

另外，根据本实施方式，在从后刀面3中的氧化铝层10的表面侧测定出的表面侧峰值中，I(116)以及I(104)分别为第一强和第二强的峰值强度。由此，处于在后刀面3中因微小卷刃引起的侧面磨损受到抑制的趋势。I(146)为第八个以内的峰值强度，尤其优选为第三个至第六个的峰值强度。

并且，根据本实施方式，取向系数Tc3(104)比Tc1(104)小。由此，能够抑制前刀面2中的月牙洼磨损，并且能够抑制后刀面3中的耐卷刃性。

需要说明的是，进行试验结果得知，仅凭借Tc1(104)比Tc3(104)大这一条件，氧化铝层10的耐卷刃性的提高不充分，通过使Tc1(146)为1.0以上，从而氧化铝层10的耐月牙洼磨损得到大幅提高。

碳氮化钛层8由层叠体构成，该层叠体从基体侧起依次包括所谓的MT(Moderate Temperature；中温)-碳氮化钛层8a和HT-碳氮化钛层8b。MT-碳氮化钛层8a将乙腈(CH₃CN)气体作为原料而含有且由成膜温度为780～900℃这一较低温成膜出的柱状结晶构成。HT(High Temperature：高温)-碳氮化钛层8b由成膜温度为950～1100℃这一高温成膜出的粒状结晶构成。根据本实施方式，在HT-碳氮化钛层8b的表面形成有朝向氧化铝层10而前端变细且剖面观察时为三角形形状的突起，由此，氧化铝层10的密接力提高，能够抑制被覆层6的剥离、卷刃。

另外，根据本实施方式，中间层9设置在HT-碳氮化钛层8b的表面。中间层9含有钛和氧，例如包含TiCO、TiNO、TiCNO、TiAlCO、TiAlCNO等，在图2中，这些由层叠的下部中间层9a和上部中间层9b构成。由此，构成氧化铝层10的氧化铝粒子成为α型结晶构造。由α型结晶构造构成的氧化铝层10的硬度高，能够提高被覆层6的耐磨损性。中间层9为由TiAlCNO构成的下部中间层9a和由TiCNO构成的上部中间层9b层叠的层叠构造，由此具有提高切削工具1的耐缺损性的效果。并且，在中间层9为TiCO或TiAlCO的情况下，能够提高Tc1(146)以及Tc2(146)。需要说明的是，碳氮化钛层8设置为6.0～13.0μm的厚度，另外，中间层9设置为0.05～0.5μm的厚度。

并且，基底层7以及表层11包含氮化钛。需要说明的是，在其他实施方式中，基底层7以及表层11可以为氮化钛以外的碳氮化钛、碳酸氮化钛、氮化铬等其他材质，也可以不具备基底层7以及表层11中的至少一方。另外，基底层7设置为0.1～1.0μm的厚度，表层11设置为0.1～3.0μm的厚度。

需要说明的是，各层的厚度以及构成各层的结晶的性状能够通过对工具1的剖面处的电子显微镜照片(扫描型电子显微镜(SEM)照片或透射电子显微镜(TEM)照片)进行观察来测定。另外，在本实施方式中，构成被覆层6的各层的结晶的结晶形态为柱状是指，各结晶的被覆层6的所述平均结晶宽度相对于厚度方向上的长度之比平均为0.3以下的状态。另一方面，该各结晶的被覆层的所述平均结晶宽度相对于厚度方向上的长度之比平均超过0.3的情况下定义为结晶形态为粒状。

另一方面，工具1的基体5可以举出将硬质相与结合相结合而成的超硬合金、Ti基金属陶瓷、或Si₃N₄、Al₂O₃、金刚石、立方晶氮化硼(cBN)等陶瓷，所述硬质相包括碳化钨(WC)和根据需求从周期表第4、5、6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物的组中选出的至少一种，所述结合相包括钴(Co)、镍(Ni)等铁族金属。其中，在作为工具1那样的切削工具使用的情况下，基于耐缺损性以及耐磨损性这一点，基体5优选包含超硬合金或金属陶瓷。另外，根据用途，基体5也可以包括碳钢、高速钢、合金钢等金属。

并且，上述切削工具使在前刀面2与后刀面3的交叉部形成的切削刃4与被切削物相抵而进行切削加工，能够发挥上述的优异效果。另外，本实施方式的被覆工具除了切削工具以外，也能够应用于挖掘工具、刀具等各种用途，在该情况下也具有优异的机械可靠性。

接下来，参考工具1的制造方法的一例对本实施方式的被覆工具的制造方法进行说明。

首先，向能够通过烧成而形成成为基体5的硬质合金的金属碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物等无机物质粉末适当添加金属粉末、碳粉末等并混合，通过冲压成形、浇注成形、挤出成形、冷等静压成形等公知的成形方法成形为规定的工具形状之后，通过在真空中或非氧化性气氛中烧成来制作包含上述的硬质合金的基体5。然后，在上述基体5的表面根据需要实施研磨加工、切削刃部的珩磨加工。

接下来，在其表面通过化学气相蒸镀(CVD)法成膜被覆层。

首先，配备由四氯化钛(TiCl₄)气体0.5～10体积％、氮(N₂)气10～60体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体作为反应气体组成并导入腔室内，将成膜温度设为800～940℃、在8～50kPa下成膜作为基底层7的TiN层。

之后，按照体积％配备由四氯化钛(TiCl₄)气体0.5～10体积％、氮(N₂)气5～60体积％、乙腈(CH₃CN)气体0.1～3.0体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体作为反应气体组成并导入腔室内，将成膜温度设为780～880℃、在5～25kPa下成膜MT-碳氮化钛层。此时，通过与成膜初期相比在成膜后期使乙腈(CH₃CN)气体的含有比率增加，能够实现构成碳氮化钛层的碳氮化钛柱状结晶的平均结晶宽度在表面侧比基体侧大的结构。

接下来，成膜构成碳氮化钛层8的上侧部分的HT-碳氮化钛层。根据本实施方式，HT-碳氮化钛层的具体的成膜条件为，配备四氯化钛(TiCl₄)气体1～4体积％、氮(N₂)气5～20体积％、甲烷(CH₄)气体0.1～10体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体并导入腔室内，将成膜温度设为900～1050℃、在5～40kPa下进行成膜。

进而制作中间层9。关于本实施方式的具体的成膜条件，作为第一阶段，配备四氯化钛(TiCl₄)气体3～30体积％、甲烷(CH₄)气体3～15体积％、氮(N₂)气5～10体积％、一氧化碳(CO)气体0.5～1体积％、三氯化铝(AlCl₃)气体0.5～3体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体。配备上述的混合气体并导入腔室内，将成膜温度设为900～1050℃、在5～40kPa下进行成膜。通过该工序，在碳氮化钛层8的表面成膜具有凹凸的中间层9。

接下来，作为中间层9的第二阶段，配备四氯化钛(TiCl₄)气体3～15体积％、甲烷(CH₄)气体3～10体积％、氮(N₂)气10～25体积％、一氧化碳(CO)气体0.5～2.0体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体。配备上述的混合气体并导入腔室内，将成膜温度设为900～1050℃、在5～40kPa下进行成膜。需要说明的是，本工序也可以将上述氮(N₂)气变更为氩(Ar)气。通过该工序，中间层9的表面的凹凸变得微细，能够调整接下来成膜的氧化铝层10中的氧化铝结晶的成长状态。

之后，成膜氧化铝层10。首先，形成氧化铝结晶的核。使用由三氯化铝(AlCl₃)气体5～10体积％、氯化氢(HCl)气体0.1～1.0体积％、二氧化碳(CO₂)气体0.1～5.0体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体，并设为950～1100℃、5～10kPa。通过该第一阶段的成膜，改变成膜的氧化铝结晶的成长状态，控制氧化铝层10的Tc2(146)。

接下来，使用由三氯化铝(AlCl₃)气体0.5～5.0体积％、氯化氢(HCl)气体1.5～5.0体积％、二氧化碳(CO₂)气体0.5～5.0体积％、硫化氢(H₂S)气体0～1.0体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体，改变为950～1100℃、5～20kPa而进行成膜。通过该第二阶段的成膜工序，对在氧化铝层10的中间层侧成膜的氧化铝结晶的成长状态进行调整而控制Tc2(146)。

接下来，使用由三氯化铝(AlCl₃)气体5～15体积％、氯化氢(HCl)气体0.5～2.5体积％、二氧化碳(CO₂)气体0.5～5.0体积％、硫化氢(H₂S)气体0.1～1.0体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体，变更为950～1100℃、5～20kPa而成膜氧化铝层10。通过该第三阶段的成膜工序，对在氧化铝层10的表面侧成膜的氧化铝结晶的成长状态进行调整而控制Tc1(146)。氧化铝层10的成膜工序中的第二阶段和第三阶段也可以并非独立的工序，而是混合气体的组成连续地变化的工序。

然后，根据需要来成膜表层(TiN层)11。具体的成膜条件为，配备由四氯化钛(TiCl₄)气体0.1～10体积％、氮(N₂)气10～60体积％、其余为氢(H₂)气构成的混合气体作为反应气体组成并导入腔室内，将成膜温度设为960～1100℃、在10～85kPa下成膜。

然后，根据需要对成膜出的被覆层6表面的至少切削刃部进行研磨加工。通过该研磨加工，刀刃部被加工得平滑，抑制被切削件的熔敷，进而成为耐缺损性优异的工具。此时，通过仅对前刀面进行研磨加工等，能够调整Tc3(104)。

[实施例]

首先，以平均粒径1.2μm的金属钴粉末为6质量％、平均粒径2.0μm的碳化钛粉末为0.5质量％、平均粒径2.0μm的碳化铌粉末为5质量％、其余为平均粒径1.5μm的碳化钨粉末的比例添加并混合，冲压成形而成形为工具形状(CNMG120408)。然后，实施脱粘合剂处理，在1500℃、0.01Pa的真空中烧成1小时来制作由超硬合金构成的基体。然后，对制作出的基体进行抛光加工，对成为切削刃的部分实施R珩磨。

接下来，对上述超硬合金的基体，通过化学气相蒸镀(CVD)法并以表1的成膜条件成膜被覆层，对于试料No.1～10，通过对前刀面进行研磨加工来制作切削工具。在表1、2中，各化合物以化学符号记载。

对于上述试料，首先在前刀面，对被覆层不进行研磨而进行基于CuKα线的X射线衍射分析，算出JCPDS卡片的(146)面、(104)面、(116)面的各结晶面的取向系数Tc3(hkl)。接下来，在后刀面的平坦面中对被覆层不进行研磨而进行基于CuKα线的X射线衍射分析，确定从氧化铝层的表面侧测定出的表面侧峰值(表中，记载为表面侧或表面侧峰值)，测定出各峰值的峰值强度。另外，对于表面侧峰值，确认强度最高的峰值和强度第二高的峰值，并且算出JCPDS卡片的(146)面、(104)面、(116)面的各结晶面的取向系数Tc1(hkl)。另外，在后刀面，进行研磨直至成为氧化铝层的厚度的10～40％的厚度，并同样地通过X射线衍射分析，确定在对氧化铝层的一部分进行研磨而仅残留有基体侧部分的状态下测定出的基体侧峰值(表中，记载为基体侧)，测定出各峰值的峰值强度。使用所得到的各峰值的峰值强度，算出(146)面、(104)面、(116)面的各结晶面的取向系数Tc2(hkl)。需要说明的是，上述X射线衍射测定对任意的三个试料进行测定，并以其平均值进行了评价。另外，利用扫描型电子显微镜(SEM)对上述工具的断裂面进行观察，测定出各层的厚度。结果示于表2～4。

接着，使用所得到的切削工具，在下述的条件下进行连续切削试验以及断续切削试验，评价出耐磨损性以及耐缺损性。结果示于表4。

(连续切削条件)

被切削件：铬钼钢材(SCM435)

工具形状：CNMG120408

切削速度：300m/分

进给速度：0.3mm/rev

切深：1.5mm

切削时间：25分钟

其他：使用水溶性切削液

评价项目：利用扫描型电子显微镜对刃尖珩磨部分进行观察，在实际磨损的部分，测定后刀面中的侧面磨损幅度和前刀面中的月牙洼磨损幅度。

(断续切削条件)

被切削件：带四根槽的铬钼钢材(SCM440)

工具形状：CNMG120408

切削速度：300m/分

进刀速度：0.3mm/rev

切深：1.5mm

其他：使用水溶性切削液

评价项目：测定出现缺损的冲击次数。

[表1]

*Al₂O₃-3.Al₂O₃-8：

使混合气体中的各气体(AlCl₃、CO₂、H₂S)的添加量按x→y连续地变化。

[表2]

注1X)标记表示层的厚度(单位μm)

[表3]

[表4]

根据表1～4的结果，Tc1(146)小于1.0的试料No.6～8均为磨损的进展快、且氧化铝层容易因冲击而剥离的试料。

另一方面，在Tc1(146)为1.0以上的试料No.1～5、9～11中，氧化铝层的微小卷刃得到抑制，并且也几乎未产生剥离。尤其在氧化铝层的表面侧峰值中，关于(104)面以及(116)面由第一高和第二高的峰值构成的试料No.1～4、9～11，与试料No.5相比，侧面磨损幅度更小，冲击次数也变多。并且，前刀面中的表面侧峰值的取向系数Tc3(104)比后刀面中的表面侧峰值的取向系数Tc1(104)小的试料No.2、4、9、10的月牙洼磨损幅度变得尤其小。

附图标记说明

1…切削工具

2…前刀面

3…后刀面

4…切削刃

5…基体

6…被覆层

7…基底层

8…碳氮化钛层

8a…MT-碳氮化钛层

8b…HT-碳氮化钛层

9…中间层

9a…下部中间层

9b…上部中间层

10…氧化铝层

11…表层