本发明涉及表面涂布的切削工具。本申请主张基于2016年11月29日提交的日本专利申请2016-231723号的优先权，通过参考将其全部内容并入本文中。
背景技术：
作为切削工具，已知一种表面涂布的切削工具，所述切削工具包含在其表面上具有涂层的基材，并由此显示基材的特性和涂层的特性。例如，日本特开2013-176837号公报(专利文献1)公开了一种表面涂布的切削工具，所述切削工具包括在基材的表面上的硬质材料层，所述硬质材料层包括多组以预定顺序层压的alcrn层、tisin层和alcrtisin层。
在这样的具有其中重复层压两个以上的层的多层结构(多层结构层)的层中，例如从特性的均匀性的观点来看，所述层通常设计为具有相同的厚度。然而，还存在另一种技术，其提供包含具有不同厚度的层的多层结构层，以提供由相同厚度的层不能显示的独特特征。
例如，wo2006/070730(专利文献2)公开了通过交替地层压耐氧化性优异的a层和对涂层提供良好粘合性的b层而得到的交替层，其中a层的厚度λa对b层的厚度λb之比λa/λb随着距基材的距离的增加而连续增加。专利文献2公开了，含有这样的交替层的涂层具有优异的耐氧化性，对涂层提供良好的粘合性，并且能够防止裂纹扩展，从而使表面涂布的切削工具具有长寿命。
此外，日本特开2008-162009号公报(专利文献3)公开了一种具有多层结构的涂层，所述多层结构由具有不同组成的两种以上层的层压体构成，其中所述多层结构中各层的厚度次序是不规则的，没有重复的循环。专利文献3指出，这样的涂层具有优异的耐磨性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-176837号公报
专利文献2：wo2006/070730
专利文献3：日本特开2008-162009号公报
技术实现要素：
本发明一个方面的表面涂布的切削工具是包含基材和覆盖所述基材表面的涂层的表面涂布的切削工具。所述涂层包含超多层结构层，其中从基材侧向表面侧交替层压a层和b层，所述b层的组成与所述a层的不同。所述超多层结构层具有x区域和y区域从所述基材侧向所述表面侧交替重复的结构，所述x区域是具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域。所述a层的厚度ax大于所述a层的厚度ay，且所述b层的厚度bx小于所述b层的厚度by。所述a层和所述b层各自具有包含选自由ti、al、cr、si、ta、nb和w构成的组中的一种以上的元素和选自由c和n构成的组中的一种以上的元素的组成。
附图说明
图1是示意性显示包含在一个实施方案的表面涂布的切削工具中的涂层的结构的横截面图。
图2是关于图1的超多层结构层中包含的a层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表a层的各个层的厚度的纵轴且具有代表a层的各个层距基材的距离的横轴。
图3是关于图1的超多层结构层中包含的b层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表b层的各个层的厚度的纵轴且具有代表b层的各个层距基材的距离的横轴。
图4是关于图1的超多层结构层中包含的a层和b层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。
图5是作为拍摄了超多层结构层的显微镜图像的附图替代物的照片。
图6是作为以放大视图的方式显示了图5中用虚线包围的部分的附图替代物的照片。
图7是显示图6所示的显微镜图像中在箭头方向上的对比度强度分布的曲线。
图8是基于图7的强度分布的关于超多层结构层中包含的a层和b层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表距测量起始点的距离的横轴。
图9是示意性地显示包含在一个实施方案的表面涂布的切削工具中的涂层的另一种结构的横截面图。
图10是关于图9的超多层结构层中包含的a层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。
图11是关于图9的超多层结构层中包含的b层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。
图12是关于图9的超多层结构层中包含的a层和b层在坐标系上绘制的曲线图，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。
图13是显示能够用于aip法的沉积设备的一个例示性构造的示意性侧面透视图。
图14是图13的沉积设备的示意性平面透视图。
具体实施方式
[本发明要解决的问题]
表面涂布的切削刀具倾向于根据部位而具有不同的损伤形态。例如，在使用不磨刃刀片的磨削时，前刀面和后刀面在损伤形态上彼此明显不同。在使用钻头的钻孔加工中，靠近钻头旋转轴的凹槽部分和远离旋转轴的外围切削刃部分在损伤形态上彼此明显不同。
尽管常规技术能够减少表面涂布的切削工具的特定部位的损伤，但实际上难以充分减少多个部位的具有不同形态的损伤。当工件的加工精度下降到小于或等于阈值时，表面涂布的切削工具的使用寿命将结束。因此，如果一个工具中包含的具有不同形态的各种损伤不能被充分抑制，则工件的加工精度将降低并且工具寿命将缩短。换言之，表面涂布的切削工具的使用寿命仍有增加的余地。
本发明的目的是提供具有长工具寿命的表面涂布的切削工具。
[本发明的有益效果]
根据本发明，能够提供具有长工具寿命的表面涂布的切削工具。
[本发明实施方案的说明]
首先列举本发明的实施方案。在该说明中，“m～n”形式的表述代表范围的上限和下限(即m～n，包括m和n两者)。m没有单位且只有n具有单位意味着m和n具有相同的单位。
(1)本公开一个方面的表面涂布的切削工具包含基材和覆盖所述基材表面的涂层。所述涂层包含超多层结构层，其中从基材侧向表面侧交替层压a层和b层，所述b层的组成与所述a层的不同。所述超多层结构层具有x区域和y区域从所述基材侧向所述表面侧交替重复的结构，所述x区域是将具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是将具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域。所述a层的厚度ax大于所述a层的厚度ay，且所述b层的厚度bx小于所述b层的厚度by。所述a层和所述b层各自具有包含选自由ti、al、cr、si、ta、nb和w构成的组中的一种以上的元素和选自由c和n构成的组中的一种以上的元素的组成。
表面涂布的切削工具中包含的涂层具有其中a层和b层交替层压的超多层结构层。因此，能够显示基于a层的特性和基于b层的特性的两种特性。此外，超多层结构层具有x区域和y区域交替重复的结构，所述x区域是将具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是将具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域，其中满足ax>ay和bx<by。因此，还能够显示基于x区域的特性和基于y区域的特性。
因此，与常规涂层相比，所述涂层能够显示富于变化的特性。因此，如果表面涂布的切削工具的一个部位容易发生特定的损伤且在另一个部位容易发生另一种特定的损伤，则能够适当抑制两部位的损伤。因此，表面涂布的切削工具能够具有长的工具寿命。
(2)在所述表面涂布的切削工具中，在具有代表构成所述超多层结构的各个层的厚度的纵轴和具有代表构成所述超多层结构的各个层距所述基材的距离的横轴的坐标系中，通过标绘包含在所述超多层结构层中的a层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线a显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案，并且通过标绘包含在所述超多层结构层中的b层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线b显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案。在所述曲线a中，构成所述山峰区域的a层是构成所述x区域的a层，且构成所述山谷区域的a层是构成所述y区域的a层。在所述曲线b中，构成所述山峰区域的b层是构成所述y区域的b层，且构成所述山谷区域的b层是构成所述x区域的b层。这样的特征防止超多层结构层中的层间剥离。
(3)在所述表面涂布的切削工具中，由所述x区域和与所述x区域相邻的一个y区域构成的xy区域具有小于或等于300nm的厚度。这样的特征更可靠地防止超多层结构层中的层间剥离。
(4)在所述表面涂布的切削工具中，由所述x区域和与所述x区域相邻的一个y区域构成的xy区域包括4～10个a层和4～10个b层。这样的特征更可靠地防止超多层结构层中的层间剥离。
(5)在所述表面涂布的切削工具中，所述a层和所述b层各自具有0.5nm～30nm的厚度。这样的特征更可靠地防止超多层结构层中的层间剥离。
(6)在所述表面涂布的切削工具中，所述超多层结构层具有1μm～20μm的厚度。这样的特征能够更显著地提供超多层结构层的效果。
(7)在所述表面涂布的切削工具中，各个a层是包含al、cr和n的化合物层，且各个b层是包含al、ti、si和n的化合物层。在这种情况下，超多层结构层具有耐氧化性高的a层和硬度高的b层。因此，超多层结构层可以具有特别长的工具寿命。
[具体实施方式]
下面将对本发明的一个实施方案(下文中称为“本实施方案”)进行说明。然而，本实施方案不限于如下说明。需要说明的是，在用于说明以下实施方案的附图中，相同的参考符号表示相同或相应的部分。此外，在本说明书中以化学式表示的没有特定原子比的化合物包括任何常规已知的原子比。原子比不一定限于化学计量范围内。例如，当提及“alcrn”时，构成alcrn的原子数的比率不限于al:cr:n＝0.5:0.5:1，而是包括任何常规已知的原子比。
<表面涂布的切削工具>
参考图1，对本实施方案的表面涂布的切削工具(下文中也简称为“工具”)进行说明。如图1所示，工具10包含基材1和覆盖基材1的表面的涂层2。
工具10可以具有任意形状和用途。例如，它可以是钻头、立铣刀、用于钻孔的可转位刀片、用于端铣的可转位刀片、用于铣削的可转位刀片、用于车削的可转位刀片、切缝铣刀、齿轮切削工具、铰刀、丝锥和曲轴的针铣加工用刀片(ピンミーリング加工用チップ)。
工具10不限于整体具有包含基材1和在基材1上形成的涂层2的结构的工具，而也可以是仅在工具的一部分(特别地，如切削刃部位)处具有这样的结构的工具。例如，仅基体(支持体)的切削刃部位可具有这样的结构。在这种情况下，认为术语“切削刃部位”是切削工具。换言之，如果所述结构仅占切削工具的一部分，则所述结构称为表面涂布的切削工具。
<<基材>>
基材1形成工具10的形状的基部。这样的类型的任何常规已知的基材都可以用作基材1。例如，基材1优选为如下中的任意一种：硬质合金(例如wc类硬质合金，其除了包括wc之外还包括含有co或添加了ti、ta、nb等的碳氮化物的硬质合金)、金属陶瓷(包含tic、tin和/或ticn作为主要成分)、高速钢、陶瓷(例如钛碳化物、硅碳化物、硅氮化物、铝氮化物和铝氧化物)、立方氮化硼烧结体和金刚石烧结体。
在这些基材中，优选选择硬质合金，更具体地，选择wc基硬质合金或金属陶瓷(特别是ticn基金属陶瓷)。这是因为，这些基材中的各种基材特别是在高温下硬度和强度之间的平衡优异，并且具有作为用于这样的用途的表面涂布的切削工具的基材的优异特性。
<<涂层>>
涂层2具有超多层结构层。尽管图1显示了其中涂层2仅由a层和b层所构成的超多层结构层构成的情况，但是涂层2也可以包含另外的层。另外的层的实例包括设置在基材1与超多层结构层之间的打底层、和设置在所述超多层结构层上的表面层。涂层2可以形成在基材1的一部分(例如切削刃部分)或整个表面上。
涂层2可以具有任意厚度，例如1～20μm。厚度小于1μm的涂层2将难以提供具有足够厚度的超多层结构层(稍后说明)并且由此可能不能充分发挥超多层结构层的作用。此外，这样的涂层2可能不能提供足够的特性。涂层2厚度超过20μm可能会因为切削过程中施加的压力大而导致涂层2剥离。
涂层2的厚度能够通过以下方式确定。首先，对工具10的任意位置进行切削，并制作包含涂层2的横截面的样品。例如，为了制作样品，可以使用聚焦离子束系统或横截面抛光器。然后用sem或tem观察制作的样品，并调整放大倍数以使观察到的图像包含涂层的厚度方向上的整个区域。然后在五个以上的点处测量厚度，并将它们的平均值确定为涂层2的厚度。如果没有特别的说明，则其他层的厚度以相同的方式确定。
<<超多层结构层之外的层>>
涂层2优选具有构成涂层2的最外表面的表面层，并且表面层优选具有比超多层结构层大的晶格常数。通过后述的pvd法生产的超多层结构层倾向于在其中包含压缩应力。残留在涂层中的压缩应力倾向于降低涂层的耐剥离性。
如果超多层结构层在其上具有晶格常数大于超多层结构层的表面层，即具有压缩应力小于超多层结构层的表面层，则整个涂层的压缩应力得到缓和(减小)。因此，包含晶格常数大于超多层结构层的表面层的表面涂布的切削工具可提高耐剥离性，并且能够进一步延长寿命。表面层和超多层结构层各自的晶格常数能够通过使用θ-2θ法的x射线衍射来测量。各个晶格常数也能够通过使用tem的附带设备的电子衍射法来测量。
此外，为了增强涂层2与基材1之间的粘合性，涂层2可以包含在超多层结构层与基材1之间的打底层。
<<超多层结构层>>
超多层结构层具有从基材侧(与基材1相邻的一侧)向表面侧(远离与所述基材侧相邻侧的一侧)交替层压a层和组成不同于a层的b层的结构。
a层和b层各自具有包含选自由ti、al、cr、si、ta、nb和w构成的组中的一种以上的元素和选自由c和n构成的组中的一种以上的元素的组成。具体组成的实例包括alcrn、altin、tisin、tinbn、tiwn和altisin。
特别地，本实施方案的超多层结构层的特征在于满足如下(1)和(2)：
(1)x区域和y区域从基材侧向表面侧交替重复，x区域是具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，y区域是具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域；和
(2)a层的厚度ax大于a层的厚度ay，且b层的厚度bx小于b层的厚度by。
尽管图1显示了最靠近基材的层为a层的情况，但是超多层结构层的结构不限于此。最靠近基材的层可以是b层。此外，尽管图1显示了最靠近基材的区域为x区域的情况，但是超多层结构层的结构不限于此。最靠近基材的区域可以是y区域。这同样适用于最靠近表面的区域。
含有满足上述(1)和(2)的超多层结构层的涂层2能够显示基于a层的特性和基于b层的特性的两种特性。此外，涂层2还能够显示基于x区域的特性和基于y区域的特性。因此，与传统的涂层相比，涂层2能够显示富于变化的特性。
因此，不像传统的涂层易于对一个部位造成一种特定的损伤并且易于对另一个部位造成另一种特定的损伤，具有涂层2的工具10能够适当地抑制对两个部位的损伤。因此，工具10能够具有长的工具寿命。
另一方面，例如如专利文献1中所述包含具有相同厚度的层的多层结构层将不能显示这种不同的特性。另外，如专利文献3所述的具有不规则周期的多层结构层不能避免批次间的变动。
<<第一超多层结构层>>
参考图1～图4，对作为本实施方案的超多层结构层的一个实例的第一超多层结构层进行具体说明。
第一超多层结构层的特征在于满足上述(1)和(2)，并且进一步满足如下(3)至(6)：
(3)在具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴的坐标系中，通过标绘包含在所述超多层结构层中的a层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线a显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案；
(4)在相同的坐标系中，通过标绘包含在所述超多层结构层中的b层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线b显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案；
(5)在曲线a中，构成山峰区域的a层是构成x区域的a层，且构成山谷区域的a层是构成y区域的a层；以及
(6)在曲线b中，构成山峰区域的b层是构成y区域的b层，且构成山谷区域的b层是构成x区域的b层。
现在将参考图1～图4具体说明上述(3)～(6)。为了说明起见，将a层中位置最靠近基材的a层称作a1层，并且将a层从基材侧向表面侧依次称作a1层、a2层、a3层、……a10层。类似地，将b层中位置最靠近基材的b层称作b1层，并且将b层从基材侧向表面侧依次称作b1层、b2层、b3层，……b10层。
此外，假定a1层～a10层分别具有3nm、4nm、3nm、2nm、1nm、2nm、3nm、4nm、3nm和2nm的厚度，并且假定b1层～b10层分别具有2nm、1nm、2nm、3nm、4nm、3nm、2nm、1nm、2nm和3nm的厚度。
尽管图1显示了10个a层和10个b层，但毫无疑问的是，在作为最上层的b10层之上，可以还存在将a层和b层以这种顺序层压的层压结构(这在图1中由点表示)。
根据上述假定，第一超多层结构层包含具有3nm～4nm厚度的a层(a1～a3层和a7～a9层)以及具有1nm～2nm厚度的a层(a4～a6层和a10层)。此外，第一超多层结构层包含具有1nm～2nm厚度的b层(b1～b3层和b7～b9层)以及具有3nm～4nm厚度的b层(b4～b6层和b10层)。
如图1所示将具有3～4nm厚度的a1～a3层和具有1～2nm厚度的b1～b3层交替层压的区域、以及如图1所示将具有3～4nm厚度的a7～a9层和具有1～2nm厚度的b7～b9层交替层压的区域为x区域。另一方面，如图1所示将具有1～2nm厚度的a4～a6层和具有3～4nm厚度的b4～b6层交替层压的区域为y区域。即，构成x区域的a1～a3层和a7～a9层各自的厚度为3nm或4nm，且构成y区域的a4～a6层各自的厚度为1nm或2nm。构成x区域的b1～b3层和b7～b9层各自的厚度为1nm或2nm，且构成y区域的b4～b6层各自的厚度为3nm或4nm。
因此，第一超多层结构层具有x区域和y区域从基材侧向表面侧交替重复的结构，所述x区域是具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域。此外，构成x区域的a层的厚度ax(3nm和4nm)大于构成y区域的a层的厚度ay(1nm和2nm)，并且构成x区域的b层的厚度bx(1nm和2nm)小于构成y区域的b层的厚度by(3nm和4nm)。
首先对上述(3)和(5)进行说明。通过在坐标系上标绘a1～a10层的点并通过用直线将所述点连接而得到的曲线a显示了其中山峰区域和山谷区域如图2中所示交替重复的波状图案，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。需要说明的是，将各个层距基材的距离定义为在厚度方向上基材的中间位置与各个层的中间位置之间的距离。
更具体地，a1～a3层、a7～a9层这六个层为构成山峰区域的a层，a4～a6层和a10层这四个层为构成山谷区域的a层。从图2能够看出，曲线a中的“山峰区域”是指厚度从中间点到局部最大点连续增加并且然后连续减小到下一个中间点的区域，且“山谷区域”是指厚度从中间点到局部最小点连续减小并且然后连续增加到下一个中间点的区域。
中间点是指具有作为局部最大点的值和与所述局部最大点相邻的局部最小点的值之间的中间值的值的点。在本实施方案中，为了便于理解(即为了避免图的复杂化)，附图显示了三个中间点具有相同值的情况，即4nm(局部最大点)与1nm(局部最小点)之间的(中间点)(2.5nm)。然而，中间点可以有不同的值。这同样适用于后述的曲线b。
接下来，将对上述(4)和(6)进行说明。通过将b1～b10层的点标绘在坐标系上并通过用直线将所述点连接而得到的曲线b显示了其中山峰区域和山谷区域如图3中所示交替重复的波状图案，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表各个层距基材的距离的横轴。
更具体地，b1～b3层和b7～b9层这六个层是构成山谷区域的b层，而b4～b6层和b10层这四个层是构成山峰区域的b层。从图3能够看出，曲线b中的“山峰区域”是指厚度从中间点到局部最大点连续增加并且然后连续减小到下一个中间点的区域，且“山谷区域”是指厚度从中间点到局部最小点连续减小并且然后连续增加到下一个中间点的区域。确定中间点的方法与曲线a的方法相同。
从另一角度观察图2，a层也可以描述为从基材侧向表面侧具有厚度连续增加的区域和厚度连续减小的区域，所述区域交替重复。此外，从另一角度观察图3，b层也可以描述为从基材侧向表面侧具有厚度连续增加的区域和厚度连续减小的区域，所述区域交替重复。
图4是通过将图2和图3相互叠加而得到的曲线。图4显示，在第一超多层结构层中，在a层的厚度从基材侧向表面侧连续增加的区域中，b层的厚度从基材侧向表面侧连续减小，而在a层的厚度从基材侧向表面侧连续减小的区域中，b层的厚度从基材侧向表面侧连续增加。因此，可以说，a层的厚度变化和b层的厚度变化是相对的。
那么，第一超多层结构层也可以被定义为：
具有从基材侧向表面侧交替层压a层和组成不同于a层的b层的结构；且
具有v区域和w区域从基材侧向表面侧交替重复的结构，
在v区域中，
a层的厚度从基材侧向表面侧连续增加，且
b层的厚度从基材侧向表面侧连续减小，
在w区域中，
a层的厚度从基材侧向表面侧连续减小，且
b层的厚度从基材侧向表面侧连续增加。
接下来对涂层2包含满足上述(1)～(6)的第一超多层结构层的事实进行确认。首先，在200000倍以上的放大倍率下使用扫描透射电子显微镜(stem)对以类似于上述方式的方式制作的样品进行观察，由此观察到高角环形暗场(haadf)图像。
图5是作为拍摄了超多层结构层的显微镜图像的附图替代物的照片。图6是作为以放大视图的方式显示了图5中用虚线包围的部分的附图替代物的照片。在图5中，观察到超多层结构层的x区域和y区域的重复。在图6中，还观察到各个x区域内的多层结构和各个y区域内的多层结构。
更具体地，图5的超多层结构层包含由alcrn构成的a层和由altisin构成的b层。在haadf图像中，以暗色调(黑色)观察到具有小式量(构成元素的原子量的总和)的a层，而以淡色调(灰色或白色)观察到具有大式量的b层。那么，如图5所示，以相对暗的色调观察到包含相对厚的a层的x区域，而以相对淡的色调观察到包含相对薄的a层的y区域。此外，通过在更高倍率下观察图5的超多层结构层，如图6所示，观察到x区域和y区域各自具有多个深色区域(a层)和多个浅色区域(b层)层压的结构。
根据所得到的haadf图像，得到了在超多层结构层的厚度方向(图6中的箭头所示的方向)上的强度分布(z对比度)。基于所得到的强度分布，在坐标系上制图，所述坐标系具有代表强度的纵轴并且具有代表距测量起始点的距离的横轴。z对比度的强度与原子量的平方成正比。因此，由alcrn构成的a层和由altisin构成的b层能够基于对比度强度分布而彼此区分。
图7是显示在图6所示的显微镜图像(haadf图像)中的箭头方向上的对比度强度分布的曲线。将由alcrn构成的a层和由altisin构成的b层相互比较，a层包含具有最高原子量(cr)的原子。因此，a层比b层显示更高的强度。因此，可以将图7中呈现出凸形的区域看作a层，且可以将图7中呈现凹形的区域看作b层。此外，将一个凸起区域中的局部最大点pmax和与所述凸起区域相邻的一个凹陷区域中的局部最小点pmin之间的中间点pmid确定为凸起区域与凹陷区域之间的边界(即，a层与b层之间的边界)。这同样适用于其他边界。
由此确定a层与b层之间的边界，并且能够相应地确定各个a层的厚度和各个b层的厚度。确定各层的厚度能够确定通过各层的厚度而彼此区分开的x区域和y区域。通过如上所述haadf图像的明暗也能够确认a层和b层交替层压并且x区域和y区域交替重复的事实。此外，根据各个层的厚度的结果，能够绘制曲线a和曲线b。
图8是基于图7的强度分布的关于超多层结构层中包含的a层和b层在坐标系上绘制的曲线，所述坐标系具有代表各个层的厚度的纵轴且具有代表距测量起始点的距离的横轴。曲线a是通过将图8的空心正方形点用直线连接而得到的，并且曲线b是通过将图8的黑色菱形点用直线连接而得到的。图8的曲线表明，在图5的超多层结构层中，a层具有约2～约5nm的厚度，b层具有约4～约7nm的厚度，并且b层倾向于整体上大于a层的厚度。
以这种方式，能够确认超多层结构层满足上述(1)～(6)的事实。通过使用tem附带的edx设备分析上述haadf图像，能够确认各层的组成。此时，将光斑直径设定为1nm，并且将在各层中随机选择的五个点处得到的组成比的算术平均值定义为组成。
上面详细说明的第一超多层结构层能够显示基于a层的特性和基于b层的特性两种特性。此外，第一超多层结构层还能够显示基于x区域的特性和基于y区域的特性。因此，与传统的涂层相比，涂层2能够显示富于变化的特性。
特别地，第一超多层结构层的特征在于，a层的厚度从基材侧向表面侧重复连续地增加和减少，并且b层的厚度从基材侧向表面侧重复连续地增加和减少。具有这样的结构的超多层结构层更有效地防止层间剥离。可以想到的理由是，在超多层结构层的厚度方向上各层厚度的轻微变化能够保持层之间的小应力差。因此，第一超多层结构层具有显著长的工具寿命。
<<第二超多层结构层>>
参考图9～图12，将对作为本实施方案的超多层结构层的另一个实例的第二超多层结构层进行具体说明。
第二超多层结构层满足上述(1)～(6)。然而，第二超多层结构层与第一超多层结构层在曲线a中的各个“山峰区域”和“山谷区域”的形状以及在曲线b中的各个“山峰区域”和“山谷区域”的形状方面不同。
为了说明方便，在a层中，将位置最靠近基材的a层称作a1层，并且将a层从基材侧向表面侧依次称作a1层、a2层、a3层、……a10层。类似地，在b层中，将位置最靠近基材的b层称作b1层，并且将b层从基材侧向表面侧依次称作b1层、b2层、b3层、……b10层。此外，假定a1层～a10层分别具有4nm、4nm、4nm、1nm、1nm、1nm、4nm、4nm、4nm和1nm的厚度，并且b1层～b10层分别具有1nm、1nm、1nm、4nm、4nm、4nm、1nm、1nm、1nm和4nm的厚度。
尽管图9显示了十个a层和十个b层，但毫无疑问的是，在b10层即最上层上，可以还存在将a层和b层以这种顺序层压的层压结构(这在图9中由点表示)。
根据上述假定，第二超多层结构层包含具有4nm厚度的a层(a1～a3层和a7～a9层)以及具有1nm厚度的a层(a4～a6层和a10层)。此外，第二超多层结构层包含具有1nm厚度的b层(b1～b3层和b7～b9层)以及具有4nm厚度的b层(b4～b6层和b10层)。
如图9所示将厚度为4nm的a1～a3层和厚度为1nm的b1～b3层交替层压的区域、以及如图9所示将厚度为4nm的a7～a9层和厚度为1nm的b7～b9层交替层压的区域为x区域。另一方面，如图9所示将厚度为1nm的a4～a6层和厚度为4nm的b4～b6层交替层压的区域为y区域。即，构成x区域的a1～a3层和a7～a9层各自的厚度为4nm，且构成y区域的a4～a6层各自的厚度为1nm。构成x区域的b1～b3层和b7～b9层各自的厚度为1nm，且构成y区域的b4～b6层各自的厚度为4nm。
因此，第二超多层结构层具有x区域和y区域从基材侧向表面侧交替重复的结构，所述x区域是具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域。此外，构成x区域的a层的厚度ax(4nm)大于构成y区域的a层的厚度ay(1nm)，并且构成x区域的b层的厚度bx(1nm)小于构成y区域的b层的厚度by(4nm)。
将对以上(3)和(6)进行说明。针对a1～a10层绘制的曲线a显示其中山峰区域和山谷区域如图10所示交替重复的波状图案。此外，针对b1～b10层绘制的曲线b显示其中山峰区域和山谷区域如图11所示交替重复的波状图案。图12是通过将图10和图11相互叠加而得到的曲线。
在上述第一超多层结构层中，如图2和图3所示，“山峰区域”是指厚度从中间点到局部最大点增加并且然后减小到下一个中间点的区域，且“山谷区域”是指厚度从中间点到局部最小点减小并且然后增加到下一个中间点的区域。
另一方面，在第二超多层结构层中，如图10和图11所示，各个曲线中的“山峰区域”和“山谷区域”各自由具有相同厚度的层构成。即，第二实施方案中的曲线a和曲线b的特征在于具有矩形波形，而不是如第一实施方案中具有局部最大点和局部最小点的正弦波形。
在包含含有第二超多层结构层的涂层的工具10中，涂层2与常规涂层相比还能够显示富于变化的特性，并且出于与上述相同的原因而使得工具寿命显著更长。
<<超多层结构层的更优选实施方案>>
上面已经说明了第一超多层结构层和第二超多层结构层以作为本实施方案的超多层结构层的实例。下面列举本实施方案的超多层结构层的更优选实施方案。
在超多层结构层中，由x区域和与x区域相邻的一个y区域构成的xy区域可以具有例如30～2500nm的厚度。特别地，xy区域的厚度优选小于或等于300nm。在这种情况下，可以更可靠地防止超多层结构层中的层间剥离，从而使工具10具有长得多的寿命。尽管其原因尚未完全清楚，但可能的原因是这样的厚度倾向于减小区域之间的残余应力差。
在超多层结构层中，由x区域和与x区域相邻的一个y区域构成的xy区域可以包含例如3～15个a层和3～15个b层。特别地，xy区域优选包含4～10个a层和4～10个b层。存在四个以上的层可允许各个区域中各层的厚度进一步平缓地变化。另一方面，存在10个以上的层虽然使各个层的厚度变化变得更平缓，但是难以控制超多层结构层的结构并且可能因此导致不均匀的特性。因此，包含4～10个a层和4～10个b层的xy区域能够更可靠地防止超多层结构层的层间剥离，由此使得工具10具有长得多的寿命。
在超多层结构层中，a层和b层各自可以具有例如0.5～100nm的厚度。特别地，a层和b层各自优选具有0.5～30nm的厚度。在由这样的厚度的a层和b层构成的超多层结构层中，能够更可靠地防止层间剥离。
超多层结构层优选具有1～20μm的厚度。厚度小于1μm的超多层结构层可能不能充分显示超多层结构层的效果。厚度超过20μm的超多层结构层由于在切削期间施加的大的压力而可能引起超多层结构层的剥离。
在超多层结构层中，各个a层优选为包含al、cr和n的化合物层，并且各个b层优选为包含al、ti、si和n的化合物层。这样的a层特别倾向于具有良好的耐氧化性，并且这样的b层特别倾向于具有高硬度。耐氧化性和硬度是与切削工具的寿命密切相关的特性。换言之，包含由这样的a层和b层构成的超多层结构层的涂层将使得工具10具有特别长的工具寿命。
超多层结构层的硬度h优选为35gpa以上，且硬度h对杨氏模量e之比h/e优选为0.5以上。这样的超多层结构层具有更好的耐磨性和断裂强度。因此，在切削诸如耐热合金的难切削材料期间，能够显示特别高的性能。
超多层结构层的硬度h和杨氏模量e能够根据iso14577-1：2015中的纳米压痕技术而得到。具体地，通过以使得在超多层结构层的表面中的压入深度为0.2μm的受控载荷压入压头而得到硬度h和杨氏模量e。可应用纳米压痕技术的超微压痕硬度测试仪的实例包括由elionixinc.制造的“ent-1100a”。在超多层结构层上存在另一层(例如表面层)的情况下，通过例如calotest和对角线包装(斜めラッピング)而露出超多层结构层。
尽管超多层结构层的硬度h的上限值没有特别限制，但从改善耐碎裂性的观点考虑，其优选小于或等于45gpa。另外，从与基材的弹性变形特性一致的观点考虑，h/e比优选为小于或等于0.12。
<制造表面涂布的切削工具的方法>
包含含有上述超多层结构层的涂层的表面涂布的切削工具能够通过如下方法制造。所述制造方法包括准备至少基材的步骤和形成涂层的步骤。
<<准备基材的步骤>>
在该步骤中，准备基材。例如由硬质合金构成的基材可以通过普通的粉末冶金来准备。首先，例如通过球磨机将wc粉末和co粉末混合以制备混合粉末。然后，将混合粉末干燥且然后形成为预定的形状以制造成形体。然后将所述成形体烧结以制造wc-co基硬质合金(烧结体)。然后根据需要对烧结体进行预定的诸如珩磨的切削刃机械加工，以准备由wc-co基硬质合金构成的基材。
<<形成涂层的步骤>>
在该步骤中，通过pvd方法形成涂层。pvd方法的实例包含电弧离子镀(aip)、平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。从超多层结构层的易制造性的观点考虑，优选使用aip法。
参考图13和图14，对用于aip法的沉积设备进行说明。图13和图14中所示的沉积设备100包含：腔室20、用于将原料气体导入腔室20的气体入口21、以及将原料气体排放至外部的气体出口22。腔室20连接到真空泵(未示出)并被构造成能够通过气体出口22调节腔室20中的压力。
在腔室20中，设置有旋转台23。在旋转台23上连接有用于保持基材1的基材保持器24。基材保持器24与偏压电源25的负极电连接。偏压电源25的正极接地并且还与腔室20电连接。
此外，将电弧蒸发源(靶25a、25b)安装到腔室20的侧壁，所述电弧蒸发源是构成涂层的各个层的金属原料。电弧蒸发源连接到直流电源26a、26b(其为可变电源)的各个负极。直流电源26a、26b的正极接地。
在用上述沉积设备100沉积涂层时，以如下方式形成除了超多层结构层之外的层，例如打底层和表面层。首先，将基材1连接到沉积设备100中的基材保持器24上。然后，通过真空泵减小腔室20内的压力(例如约1.0×10-4pa)。另外，在使旋转台23以恒定速度旋转的同时，利用设置于沉积设备100内的加热器(未示出)对基材1进行加热。
在基材1的温度充分升高之后，在通过气体入口21引入反应性气体的同时向基材1施加偏压，所述反应性气体含有构成所述层的原子中的非金属元素(c、n、b或o)。此外，将相同且恒定的电弧电流供应到靶25a、25b。靶25a、25b是含有构成所述层的原子中的金属元素的反应性气体。为了使表面层具有比超多层结构层大的晶格常数，例如可以使在沉积表面层期间施加到基材1的偏压比在沉积超多层结构层期间的小。以这种方式，形成除了超多层结构层之外的层，例如打底层和表面层。
优选在形成涂层之前对基材的表面进行离子轰击。这是因为离子轰击能够清洁基材表面并且能够增强要形成在基材表面上的涂层的均质性。aip法允许容易地实施该处理。
另一方面，制造涂层的超多层结构层的方法与上述方法的显著不同之处在于要供应至靶25a、25b的电弧电流改变。作为反应性气体，使用含有c和/或n的气体。
具体地，如果靶25a是含有构成a层的金属元素的金属原料且靶25b是含有构成b层的金属元素的金属原料，则向靶25a供应的电流随时间变化以对应于a层厚度的变化，且供应到靶25b的电流随时间变化以对应于b层厚度的变化。
在供应到靶25a的电流高的条件下沉积的a层厚，而在供应到靶25a的电流低的条件下沉积的a层薄。类似地，在供应到靶25b的电流高的条件下沉积的b层厚，而在供应到靶25b的电流低的条件下沉积的b层薄。
也就是说，对于图1～图4中所示的第一超多层结构层的沉积，供应到靶25a的电流的大小以对应于图2所示的曲线的方式变化，并且供应到靶25b的电流的大小以对应于图3所示的曲线的方式变化。对于图9～图12中所示的第二超多层结构层的沉积，供应到靶25a的电流的大小以对应于图10所示的曲线的方式变化，并且供应到靶25b的电流的大小以对应于图11所示的曲线的方式变化。
以这种方式，通过控制供应到各靶的电流的大小，能够控制构成超多层结构层的各个层的厚度。通过减慢旋转台的旋转速度能够增加要形成的层的总厚度。各层的沉积次数和超多层结构层的厚度能够通过调整处理时间来控制。此外，通过调节电流供应时间，能够控制包含在各个xy区域中的a层和b层的数量。以这种方式，形成超多层结构层。
上述说明说明了用于具有单轴旋转机构的沉积设备100的沉积方法。在具有三轴旋转机构的沉积设备100的情况下，例如，通过调整三轴旋转机构的各自旋转周期，能够控制构成超多层结构层的各个层的厚度。
实施例
下面将用实施例对本发明进行更详细的说明。然而，本发明不限于所述实施例。1号～9号的表面涂布的切削工具各自包含上述第二超多层结构层。10号～18号是比较例。19号～51号的表面涂布的切削工具各自包含上述第一超多层结构层。
<确认各个特性的方法>
根据从haadf图像得到的z对比度的强度分布，得到了构成超多层结构层的各个层的厚度。此外，基于各个层的厚度绘制了曲线a和曲线b，并对得自各条曲线的信息(例如构成各个x区域和各个y区域的a层和b层的数量、以及各个xy区域的厚度)进行了确认。通过如上所述方法使用tem附带的edx设备分析haadf图像，对各个层的组成进行了确认。
<研究1：1号～18号>
<<1号表面涂布的切削工具的制造>>
作为基材，准备外径为8mm的钻头(由硬质合金(jisk10)制成，形状：mdw0800hgs5)。然后将基材放入具有图13所示的单轴旋转机构的沉积设备100的腔室20中，并将腔室20抽真空。其后，在使旋转台23以3rpm旋转的同时将基材加热至500℃。然后在1pa下将ar气导入真空腔室20中，对钨丝放电以产生ar离子，并且向基材施加-500v的偏压。由此，进行使用ar离子对工具基材的离子轰击。
然后，在腐蚀之后，在基材的表面上沉积1号超多层结构层。表1中显示了1号超多层结构层的特征。
如表1所示，1号超多层结构层具有x区域和y区域从基材侧向表面侧交替重复的结构，所述x区域为厚度为48nm(厚度ax)的a层和厚度为57nm(厚度bx)的b层交替层压的区域，所述y区域为厚度为36nm(厚度ay)的a层和厚度为71nm(厚度by)的b层交替层压的区域。a层的组成为al0.7cr0.3n，且b层的组成为ti0.5al0.5n。各xy区域的厚度为1590nm，各xy区域所包含的a层的数量为15个，且各xy区域所包含的b层的数量为15个。将用于该超多层结构层的沉积条件示于如下。
以如下方式进行控制：当向靶a的电弧电流供应为ax步骤时，则向靶b的电弧电流供应为bx步骤；以及当向靶a的电弧电流供应为ay步骤时，则向靶b的电弧电流供应为by步骤。通过ax步骤形成具有厚度ax的a层，通过ay步骤形成具有厚度ay的a层，通过bx步骤形成具有厚度bx的b层，并且通过by步骤形成具有厚度by的b层。
<<2号～9号表面涂布的切削工具的制造>>
除了按表1中所示通过改变超多层结构层的沉积条件来改变超多层结构层的结构之外，以与1号相同的方式制造了2号～9号表面涂布的切削工具。
具体地，通过增大和减小在ax步骤、ay步骤、bx步骤和by步骤各自中的电弧电流大小来调整构成x区域的a层的厚度ax、构成y区域的a层的厚度ay、构成x区域的b层的厚度bx以及构成y区域的b层的厚度by。需要说明的是，电弧电流越大会使各层越厚，并且电弧电流越小会使各层越薄。
通过增加和减少ax步骤、ay步骤、bx步骤和by步骤各自的时间来调整构成各x区域的a层的数量、构成各y区域的a层的数量、构成各x区域的b层的数量以及构成各y区域的b层的数量。需要说明的是，供应时间越长会使层数越大，且供应时间越短会使层数越小。
<<10号～18号表面涂布的切削工具的制造>>
除了在基材的表面上形成了表2中所示的层而不是超多层结构层之外，使用与1号相同的基材，以与1号相同的方式制造了10号～18号表面涂布的切削工具。
[表2]
具体地，对于10号～14号，靶a和靶b具有相同的组成，并向靶a和靶b连续地供应相同大小的电弧电流(150a)。另一方面，对于15号～18号，使用由构成各a层的金属元素构成的靶a和由构成各b层的金属元素构成的靶b，并向靶a和靶b连续供应相同大小的电弧电流(150a)。
<<试验1>>
在下列条件下用1号到18号表面涂布的切削工具进行钻孔试验。每新钻出100个孔时，确认最后钻孔的尺寸精度，且如果尺寸精度超出规定范围，则将表面涂布的切削工具的寿命确定为终止并停止试验。表3显示了各个表面涂布的切削工具能够制作的孔的数量。孔的数量越大表明，所述工具能够在规定的尺寸精度下钻出更多的孔，并且工具寿命更长。需要说明的是，所述规定范围为8.000～8.036mm。
<<试验2>>
在下列条件下用1号到18号表面涂布的切削工具进行钻孔试验。每新钻出100个孔时，确认最后钻孔的尺寸精度，且如果尺寸精度超出规定范围，则将表面涂布的切削工具的寿命确定为终止并停止试验。表3显示了各个表面涂布的切削工具能够制作的孔的数量。孔的数量越大表明，所述工具能够在规定的尺寸精度下钻出更多的孔，并且工具寿命更长。需要说明的是，所述规定范围为8.000～8.036mm。
[表3]
<<特性评价>>
如表3所示，确认1号～9号表面涂布的切削工具比10号～18号表面涂布的切削工具具有更长的工具寿命。最重要的是，7号～9号显示了特别长的工具寿命。据认为这与a层是显示高耐氧化性的alcrn层且b层是显示高硬度的altisin层的事实有关。
<研究2：19号～50号>
<<19号表面涂布的切削工具的制造>>
除了通过改变超多层结构层的沉积条件来如表4中所示改变超多层结构层的结构之外，以与1号相同的方式制造了19号～50号表面涂布的切削工具。
供应至靶a的电流：重复如下步骤：以20a/分钟的速度从100a升至200a并且然后以相同速度降至100a的步骤(ax步骤)；以及以20a/分钟的速度从200a降至100a并且然后以相同速度升至200a的步骤(ay步骤)
供应至靶b的电流：重复如下步骤：以12a/分钟的速度从180a降至120a并且然后以相同速度升至180a的步骤(bx步骤)；以及以12a/分钟的速度从120a升至180a并且然后以相同速度降至120a的步骤(by步骤)
基板偏压：30v
转台转速：2rpm
处理时间：80分钟
以如下方式进行控制：当向靶a的电弧电流供应为ax步骤时，则向靶b的电弧电流供应为bx步骤；以及当向靶a的电弧电流供应为ay步骤时，则向靶b的电弧电流供应为by步骤。通过ax步骤形成具有厚度ax的a层，通过ay步骤形成具有厚度ay的a层，通过bx步骤形成具有厚度bx的b层，并且通过by步骤形成具有厚度by的b层。
19号超多层结构层的制造条件与1号超多层结构层的制造条件的显著不同之处在于，供应至靶a和靶b的各电弧电流重复连续增加和连续减小。因此，在19号超多层结构层中，a层的厚度和b层的厚度从基材侧向表面侧连续增加和减小。另外，在其中a层的厚度连续增加的区域中，b层的厚度连续减小，而在其中a层的厚度连续减小的区域中，b层的厚度连续增加。
在19号超多层结构层中，厚度ax、厚度ay、厚度bx和厚度by各具有多个厚度。然而，表4仅显示厚度ax的最大值(即曲线a的局部最大点的值)、厚度ay的最小值(即曲线a的局部最小点的值)、厚度bx的最小值(即曲线b的局部最小点的值)和厚度by的最大值(即曲线b的局部最大点的值)。
<<20号～50号表面涂布的切削工具的制造>>
除了通过改变超多层结构层的沉积条件来如表4和表5所示改变超多层结构层的结构之外，以与9号相同的方式制造了20号～50号表面涂布的切削工具。
具体地，通过增加和减小ax步骤、ay步骤、bx步骤和by步骤各自的电弧电流大小的最大值和最小值来调整构成各x区域的a层的厚度ax的最大值、构成各y区域的a层的厚度ay的最小值、构成各x区域的b层的厚度bx的最大值以及构成各y区域的b层的厚度by的最小值。
通过延长和缩短ax步骤、ay步骤、bx步骤和by步骤各自的时间来调整构成各x区域的a层的数量、构成各y区域的a层的数量、构成各x区域的b层的数量以及构成各y区域的b层的数量。
<<试验1和试验2>>
以与研究1类似的方式进行试验1和试验2。将结果示于表6中。
[表6]
<<特性评价>>
参考表4和表6，根据19号～35号的结果证实了，当xy区域的厚度为30～300nm时，工具寿命特别长。另外，26号～35号的工具寿命比19号～25号的长。从这些结果能够确认，各xy区域所包含的优选的a层数和优选的b层数分别为4～10，并且a层和b层各自的优选厚度为小于或等于30nm并且更优选小于或等于20nm。
参考表5和表6，根据36号～44号的结果证实了，当超多层结构层的厚度为1～20μm时，工具寿命长。关于19号～44号，各个a层是含有al、cr和n的化合物层，且各个b层是含有al、ti、si和n的化合物层。这种情况提供如上所述的特别长的工具寿命。然而，根据45号～50号的结果也证实了，包含具有除这种组成之外的组成的a层和b层的超多层结构层也能够提供足够长的工具寿命。
应理解，本文中公开的实施方案和实施例在所有方面都是以例示性的方式而不是限制性的方式给出的。意图是，本发明的范围由权利要求限定，而不是由上述实施方案和实施例限定，并且包括意义和范围与权利要求等同的所有变体。
标号说明
1：基材；2：涂层；10：表面涂布的切削工具；20：室；21：气体入口；22：气体出口；23：旋转台；24：基材保持器；25a、25b：靶；26a、26b：电弧蒸发源；100：沉积设备
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种表面涂布的切削工具，所述切削工具包含基材和覆盖所述基材表面的涂层，
所述涂层包含超多层结构层，其中从基材侧向表面侧交替层压a层和b层，所述b层的组成与所述a层的不同，
所述超多层结构层具有x区域和y区域从所述基材侧向所述表面侧交替重复的结构，所述x区域是具有厚度ax的a层和具有厚度bx的b层交替层压的区域，所述y区域是具有厚度ay的a层和具有厚度by的b层交替层压的区域，
所述a层的厚度ax大于所述a层的厚度ay，
所述b层的厚度bx小于所述b层的厚度by，
所述a层和所述b层各自具有包含选自由ti、al、cr、si、ta、nb和w构成的组中的一种以上的元素和选自由c和n构成的组中的一种以上的元素的组成，
各个a层是包含al、cr和n的化合物层，且
各个b层是包含al、ti、si和n的化合物层。
2.根据权利要求1所述的表面涂布的切削工具，其中，
在具有代表构成所述超多层结构的各个层的厚度的纵轴和具有代表构成所述超多层结构的各个层距所述基材的距离的横轴的坐标系中，
通过标绘包含在所述超多层结构层中的a层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线a显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案，并且
通过标绘包含在所述超多层结构层中的b层的点并通过用直线连接所述点而得到的曲线b显示了其中山峰区域和山谷区域交替重复的波状图案，其中
在所述曲线a中，构成所述山峰区域的所述a层是构成所述x区域的所述a层，且构成所述山谷区域的所述a层是构成所述y区域的所述a层，
在所述曲线b中，构成所述山峰区域的所述b层是构成所述y区域的所述b层，且构成所述山谷区域的所述b层是构成所述x区域的所述b层。
3.根据权利要求1或2所述的表面涂布的切削工具，其中，
由所述x区域和与所述x区域相邻的一个y区域构成的xy区域具有小于或等于300nm的厚度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的表面涂布的切削工具，其中，
由所述x区域和与所述x区域相邻的一个y区域构成的xy区域包括4～10个a层和4～10个b层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的表面涂布的切削工具，其中，
所述a层和所述b层各自具有0.5nm～30nm的厚度。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的表面涂布的切削工具，其中，
所述超多层结构层具有1μm～20μm的厚度。