本发明涉及一种表面被覆切削工具。
背景技术：
在基材上形成有覆膜的表面被覆切削工具已被常规使用。例如，日本专利特开No.2013-063504(专利文献1)提出了“一种表面被覆切削工具，其具有包括下层和上层的覆膜。下层是Ti化合物层。上层设置在下层上并由具有α型晶体结构的Al2O3层形成”。特别地，专利文献1公开了“这种表面被覆切削工具具有以下特征：在所述上层和所述下层之间的界面处，(11-20)取向为30面积％至70面积％，以及以下特征：在整个上层中，(0001)取向为45面积％以上”。同时，专利文献1没有公开在α-Al2O3层的厚度方向上的(001)取向的分布。
日本专利特开No.10-204639(专利文献2)提出了“一种表面被覆硬质合金切削工具，其具有由α-型氧化铝复合层形成的硬质覆膜层。所述α-型氧化铝复合层是由两个以上示出不同的X射线衍射图案的α-型氧化铝单元层构成的。在α-型氧化铝单元层的X射线衍射图案中，最高峰出现在2θ的25.5°、35.5°、37.2°和68.4°中的任一位置处。最高峰高度(H1)与相同的X射线衍射图案中的第二最高峰高度(H2)之比(H1/H2)为1.5至2.7”。
日本专利特开No.2000-218410(专利文献3)提出了“一种表面被覆硬质合金切削工具，其具有硬质覆膜层，该覆膜层包括具有α-型晶体结构的氧化铝层。氧化铝层由具有强晶体取向的下层和具有弱晶体取向的上层构成。上层的厚度占上层与下层总厚度的比率为10％至40％”。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.2013-063504
专利文献2：日本专利特开No.10-204639
专利文献3：日本专利特开No.2000-218410
技术实现要素：
技术问题
如在上述引用的专利文献1至专利文献3所提到的那样，据预期α-Al2O3覆膜质量的改善将相应地改进由硬质合金制成的切削工具的性能，特别是改进耐月牙洼磨损性和耐崩裂性。然而，如专利文献1所公开的那样，在基于Al2O3晶粒在特定方向上的取向性而改进覆膜质量的情况下，在获得提高覆膜强度的效果的同时，会涉及各种问题。
例如，具有(001)取向的α-Al2O3晶粒显示出这样一种趋势，即在与基材表面平行的方向上，热膨胀系数增大。因此，在形成覆膜后的冷却过程中，在覆膜内可能产生许多裂缝。此外，由于具有(001)取向的α-Al2O3晶粒高速生长，所以晶粒还可能变粗大并且耐磨性可能会劣化。与之相比，如上述专利文献2和专利文献3所公开的那样，在基于包含取向不同的多个Al2O3晶粒的覆膜来改进覆膜质量的情况下，以特定方向(例如，(001)面方向)取向的α-Al2O3晶粒的比例低，因此难以充分获得提高覆膜强度的效果。
本发明是鉴于上述情况而提出的，并且本发明的目的在于提供一种表面被覆切削工具，其中充分实现了提高覆膜强度的效果，并且进一步地，能够防止晶粒粗化，并且能够防止冷却时覆膜内产生裂缝。
问题的解决方案
根据本发明的一个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个α-Al2O3晶粒的α-Al2O3层。所述α-Al2O3层包括设置在基材侧的下层部、设置在下层部上的中间部以及设置在中间部上的上层部。在利用电子背散射衍射分析装置对α-Al2O3层的截面抛光面进行的晶体取向成像中，所述下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％，所述中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上，并且所述上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。所述α-Al2O3层的厚度为4μm至18μm，所述中间部的厚度占α-Al2O3层的厚度的50％以上，并且所述下层部和所述下层部各自的厚度为1μm以上。
本发明的有益效果
根据以上所述，充分实现了提高覆膜强度的效果，并且进一步地，能够防止晶粒粗化，并且能够防止冷却时覆膜内产生裂缝。
具体实施方式
[本发明实施方案的描述]
首先，将基于下列特征对本发明进行描述。
[1]根据本发明的一个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个α-Al2O3晶粒的α-Al2O3层。所述α-Al2O3层包括设置在基材侧的下层部、设置在下层部上的中间部以及设置在中间部上的上层部。在晶体取向成像中，所述下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％，所述晶体取向成像是利用电子背散射衍射分析装置，对α-Al2O3层的截面抛光面进行的。在所述晶体取向成像中，所述中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。在所述晶体取向成像中，所述上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。所述α-Al2O3层的厚度为4μm至18μm，中间部的厚度占α-Al2O3层的厚度的50％以上，并且下层部和上层部各自的厚度为1μm以上。在具有上述特定特征的切削工具中，充分实现了提高覆膜强度的效果，并且进一步地，能够防止晶粒粗化，并且能够防止冷却时覆膜内产生裂缝。
[2]优选地，在晶体取向成像中，所述下层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。由此，抑制晶粒粗化的效果能够得到增强。
[3]优选地，在晶体取向成像中，所述上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。由此，抑制冷却时覆膜内出现裂缝的效果能够得到增强。
[本发明实施方案的详述]
以下将进一步详细地描述本发明的实施方案(以下也称为“本实施方案”)。
<表面被覆切削工具>
根据本实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。覆膜优选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组成和结构部分不同的切削工具也没有背离本实施方案的范围。
本实施方案中的表面被覆切削工具可以适当地用作为以下切削工具，如钻头、端铣刀、钻头用可转位刀片、端铣刀用可转位刀片、铣削用可转位刀片、车削用可转位刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀或丝锥等。
<基材>
作为基材，可以采用任何常规已知的基材作为这种类型的基材。例如，基材优选为以下物质的任一者：硬质合金(例如包括WC基硬质合金、含有WC和Co的硬质合金、以及含有WC和Co以及另外的Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬质合金)、金属陶瓷(具有诸如TiC、TiN、TiCN等主成分)、高速钢、陶瓷材料(如碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝等)、立方氮化硼烧结体和金刚石烧结体。
在这些多种的基材中，优选选择硬质合金(特别是WC基硬质合金)或金属陶瓷(特别是TiCN基金属陶瓷)。这是因为这些基材在高温下的硬度和强度之间的平衡性是特别优异的，并且具有作为针对上述用途的表面被覆切削工具的基材的优异特性。
在表面被覆切削工具为可转位刀片等的情况中，基材可以具有断屑器或不具有断屑器。此外，切削刃棱线的形状可为以下任一种情况：尖锐的边缘(前刀面与后刀面彼此相交的脊部)、珩磨边缘(被加工成圆形的尖锐边缘)、负刃带(negative land)(斜面)、以及珩磨边缘和负刃带的组合。
<覆膜>
覆膜包括含有多个α-Al2O3(具有α-型晶体结构的氧化铝)晶粒的α-Al2O3层。例如，覆膜可以由多个层构成，所述层包括至少一个含有多个α-Al2O3晶粒的α-Al2O3层，并进一步包括其他层。α-Al2O3层包括含有多个α-Al2O3晶粒的多晶α-Al2O3。α-Al2O3晶粒通常的粒径约为0.1μm至2μm。
覆膜的厚度为4μm至45μm(4μm以上45μm以下，但应注意的是，在本文中用“-”或“至”表示的数值范围包括上限和下限的数值)。优选地，覆膜的厚度为5μm至35μm。如果该厚度小于4μm，则可能耐磨损性不足。如果该厚度超过45μm，当在断续加工等过程中覆膜与基材之间受到大的应力时，覆膜可能会非常频繁地发生剥落或破损。应当注意的是在本文中，覆膜、各种膜和层(如下文描述的α-Al2O3层、TiCN层等)的“厚度”是指“平均厚度”。
上述其他层的实例可以为TiCNO层、TiBN层、TiC层、TiN层、TiAlN层、TiSiN层、AlCrN层、TiAlSiN层、TiAlNO层、AlCrSiCN层、TiCN层、TiSiC层、CrSiN层、AlTiSiCO层或TiSiCN层等。本文中，当类似于上述那些用化学式表示化合物时，对于原子比没有特别限制的情况下，则化合物包括具有任意常规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学计量比的化合物。
例如，在表达式“TiAlN”的情况中，TiAlN构成元素之间的原子数比率并非限制为Ti:Al:N＝0.5:0.5:1，其包括全部常规已知的原子数比。这也适用于除了“TiAlN”之外的其他化合物的表达式。此外，在本实施方案中，金属元素(如Ti、Al、Si、Zr或Cr)以及非金属元素(如N(氮)、O(氧)或C(碳))可以不必构成化学计量组成。
其他层的实例例如为TiCN层。该TiCN层设置在α-Al2O3层和基材之间。该TiCN层具有优异的耐磨损性，因此可以赋予覆膜更高的耐磨性。TiCN层特别优选由MT-CVD(中温CVD)法形成。可以使用MT-CVD法在约850℃,至900℃的相对低的温度下形成层，并且可以减少在形成层的过程中由于加热所造成的基材的损坏。
TiCN层的厚度优选为2μm至20μm。如果该厚度小于2μm，则存在磨损易于增加的可能性。如果该厚度超过20μm，则耐崩裂性可能会劣化。
作为其他层，最外表面层和中间层等可以包含在覆膜中。最外表面层是位于覆膜的最外表面位置上的层。中间层是例如设置在最外表面层和α-Al2O3层之间、α-Al2O3层和TiCN层之间、或TiCN层和基材之间的层。最外表面层的实例例如可以是TiN层。中间层的实例例如可以是TiCNO层。
<α-Al2O3层>
α-Al2O3层包括设置在基材侧的下层部、设置在所述下层部上的中间部和设置在所述中间部上的上层部。
在晶体取向成像中，下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。该晶体取向成像是利用电子背散射衍射(EBSD)分析装置，对α-Al2O3层的截面抛光面进行的。
在该晶体取向成像中，中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。在该晶体取向成像中，上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。
在本实施方案的表面被覆切削工具中，中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。该α-Al2O3层具有特定方向((001)面的方向)的取向，相应地，可以充分实现改善覆膜强度的效果。此外，由于下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％，因此能够防止α-Al2O3晶粒的粗化，并且能够抑制耐磨性的劣化。另外，由于上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％，因此能够防止冷却时覆膜中出现裂缝并且能够抑制耐崩裂性的劣化。即，由于包括这样的下层部和上层部，所以能够抑制由α-Al2O3层的(001)面方向上的过强取向所导致的缺点，即，能够防止α-Al2O3晶粒的粗化，并且能够抑制冷却时覆膜中出现裂缝。
在本文中“具有(001)取向的α-Al2O3晶粒”是指相对于基材的表面(位于覆膜表面侧上的表面)的法线方向，(001)面的倾斜角(即，倾斜角是由基材表面的法线和(001)面的法线所形成的角)为0°至10°的α-Al2O3晶粒。在α-Al2O3层中，可以通过具有EBSD装置的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)来证实任意α-Al2O3晶粒是否具有(001)取向。EBSD基于由背散射电子产生的Kikuchi衍射图案的自动分析。
例如，使用具有EBSD装置的FE-SEM，沿着包含基材表面的法线的平面获取截面抛光面的图像，所述截面抛光面是α-Al2O3层的截面(α-Al2O3层的垂直截面)(事实上截面抛光面是将在下文中进行描述的已经被抛光的截面)。接着，计算由获取图像的各像素的(001)面的法线与基材表面的法线(即，在截面抛光面内与α-Al2O3层的厚度方向平行的直线方向)所形成的角度。然后，选择该角度在0°至10°范围内的像素。选定的像素对应于相对于基材表面，(001)面的倾斜角为0°至10°的α-Al2O3晶粒，即，具有(001)取向的α-Al2O3晶粒。
基于由晶体取向成像获得的彩色图，计算在α-Al2O3层的截面抛光面的预定区域内具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比。通过将选定的像素与截面抛光面的α-Al2O3层的特定颜色相区分，从而制作彩色图。晶体取向成像为选定的像素分配预定的颜色，因此，以所分配的颜色作为指示剂，能够计算在预定的区域内具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比。可以通过市售软件(由EDAX制造，商标名为“Orientation Imaging Microscopy Ver 6.2”)来进行上述角度的计算、角度在0°至10°范围内的像素的选择以及面积比的计算。
通过前述晶体取向成像，本实施方案中的α-Al2O3层被确定为包括这样的下层部：其设置在基材侧，并且其中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。此外，α-Al2O3层被确定为包括这样的中间部：其设置在下层部上，并且其中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。此外，α-Al2O3层被确定为包括这样的上层部：其设置在中间部上，并且其中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％。应当注意，为了计算具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比，可以在2000x至20000x的范围内适当地选择FE-SEM的观察放大率。可以调整视野数(约1至10个)，从而使观察的面积为200μm2至10000μm2，例如250μm2。
在晶体取向成像中，下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比优选为30％以下。这是因为如此能够有效地抑制α-Al2O3晶粒粗化。在晶体取向成像中，中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比优选为40％以上。这是因为在(001)面方向上的取向能够充分有利地获得提高覆膜强度的效果。在晶体取向成像中，上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比优选为30％以下。这是因为如此能够在冷却和使用时有效地防止覆膜中产生裂缝。
在晶体取向成像中，下层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比的下限值优选为0％。中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比的上限值优选为100％。上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比的下限值优选为0％。具有上述面积比范围的各层部能够产生上述效果。
<α-Al2O3层的厚度>
α-Al2O3层的厚度为4μm至18μm。这样的厚度使得耐磨性和耐崩裂性得以改进。也可以得到抑制工件附着的效果。特别地，α-Al2O3层的厚度优选为5μm至15μm。如果α-Al2O3层的厚度小于4μm，则厚度过小，可能无法获得改进耐磨性的效果以及抑制工件附着的效果。如果α-Al2O3层的厚度超过18μm，则厚度过大，并且存在覆膜可能剥落以及耐崩裂性劣化的可能。
<中间部的厚度与α-Al2O3层的厚度的比率>
中间部的厚度占α-Al2O3层厚度的50％以上。相应地，具有(001)取向的α-Al2O3晶粒占全部α-Al2O3层的面积比高，因此，可以充分地得到改善覆膜强度的效果。中间部厚度的比率的上限为80％。如果中间部厚度的比率超过上述上限值，即80％，则上层部或下层部的厚度过薄，有可能不能充分获得抑制α-Al2O3晶粒粗化的效果或抑制产生裂缝的效果。中间部的厚度占α-Al2O3层厚度的最佳比率为55％至65％。
在此，可以通过以下方式计算各下层部、中间部和上层部的厚度。即，在上述截面抛光面上，沿着基材表面的法线方向，在由α-Al2O3层的表面(覆膜表面一侧的表面)朝向基材的方向上连续地利用具有EBSD装置的FE-SEM拍摄1μm×1μm范围的图像，并计算具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比。首先，将具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％的区域确定为上层部。随后，当发现该面积比为35％以上的区域时，将该区域确定为中间部。此后，当再次发现该面积比小于35％的区域时，将该区域确定为下层部。在下层部、中间部和上层部确定后，在五个位置处再次拍摄1μm×1μm范围的图像，这五个位置在截面抛光面的各特定部分内是不均匀分布的。由此，可以确定各层部的厚度。
因此，在本实施方案中，中间部的厚度占α-Al2O3层厚度的50％以上。此外，下层部和上层部各自的厚度为1μm以上。
可通过观察上述截面抛光面来测定α-Al2O3层的厚度。例如，可以利用具有能量分散X-射线光谱(EDS)分析仪的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，通过观察α-Al2O3层的截面抛光面，从而测定α-Al2O3层的厚度。可以观察在α-Al2O3层的截面抛光面上的多个位置，并且可以确定在这些位置处的各厚度的平均值。在本实施方案中，α-Al2O3层的厚度为4μm至18μm。
<在下层部和上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒>
在晶体取向成像中，优选地，α-Al2O3层的下层部中的具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。α-Al2O3的热膨胀系数在(110)面的法线方向上高，在与(110)面平行的方向上低。因此，可以使下层部的热膨胀系数比较低，以有效地防止冷却时在覆膜中产生裂缝，并且有利地抑制耐崩裂性的劣化。此外，在用于获得(001)取向的成膜条件下，α-Al2O3晶粒有可能粗化。因此，通过设置不具有(001)取向的α-Al2O3层来抑制该现象。由此，可以有效地防止由于α-Al2O3晶粒粗化而导致硬度的降低，并且可以有利地抑制耐磨损性的劣化。
在晶体取向成像中，α-Al2O3层的上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比优选为40％。因此，可以有效地防止在使用中覆膜产生裂缝，并且可以有利地抑制耐崩裂性的劣化。
据认为，随着取向晶面之间的角度(取向差)增大，裂缝不太容易蔓延，并且能够获得抑制切削刃崩裂的效果。因此，当在取向晶粒之间的角度大约为90°的晶粒共存于层中时，能够有效地获得抑制裂缝产生和蔓延的效果。
α-Al2O3晶粒的(110)面与(001)面形成90°的角度。因此，在本实施方案中，控制具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的上层部和下层部，从而使这些层具有(110)取向的α-Al2O3晶粒，由此能够获得抑制裂缝产生的效果以及抑制晶粒粗化的效果这两个效果。
与此相反，α-Al2O3层的中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。在本实施方案的表面被覆切削工具中，中间部中(001)面方向的这种取向使得能够获得提高覆膜强度的效果。
还可以利用电子背散射衍射分析装置，由α-Al2O3层的截面抛光面的晶体取向成像来测定各下层部和上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。在此“具有(110)取向的α-Al2O3晶粒”是指相对于基材表面的法线，(110)面的倾斜角(即，该倾斜角是由基材表面的法线和(110)面的法线所形成的角度)为0°至10°的α-Al2O3晶粒。
具体地，使用具有EBSD装置的FE-SEM来拍摄α-Al2O3层的截面抛光面的图像，并使用前述市售软件来计算由拍摄图像中的每个像素的(110)面的法线方向与基材表面的法线方向所形成的角度，并选择该角度在0°至10°的像素。随后，对于晶体取向成像，通过利用特定颜色对选定的像素进行区分从而创建彩色图。基于作为指示剂的彩色图的颜色，能够计算在α-Al2O3层的各下层部和上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比。
根据晶体取向成像，确定在各下层部和上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。应当注意的是，对于具有(110)取向的α-Al2O3晶粒面积比的计算而言，优选如上所述适当地选择FE-SEM的观察倍率，并且优选调整视野数目，从而获得适当的观察区域。
应当注意的是，在下层部和上层部中具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比优选较高，并且该面积比的上限理想为100％。具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比高能够产生抑制下层部中晶粒粗化的效果，并能产生抑制上层部中产生裂缝的效果。
<α-Al2O3层截面的抛光>
在下文中，将对用于制备α-Al2O3层的截面(截面抛光面)的抛光方法进行描述。该截面对于计算具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比以及具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比来说是必要的，或者对于α-Al2O3层厚度的测定以及中间部厚度的测定来说是必要的。
首先，基于下述的制造方法形成α-Al2O3层。以获得与α-Al2O3层垂直的截面的方式，切割所形成的α-Al2O3层(即，沿着包括基材表面的法线的平面切割α-Al2O3层，并将得到的截面露出)。此后，用防水砂纸(包括作为磨料的碳化硅磨料)对此截面表面进行抛光。
按照如下所述切割α-Al2O3层。例如，将α-Al2O3层的表面(在α-Al2O3层上形成有另一层的情况下，为覆膜的表面)设置为与蜡等相互密着固定在足够大的保持用平板上。此后，使用具有旋转刀片的切割器沿着与平板垂直的方向切割α-Al2O3层(利用设置为与该平板尽可能垂直的旋转刀片切割α-Al2O3层)。只要在该垂直方向上切割α-Al2O3层，则可以切割α-Al2O3层的任意部分。
利用防水砂纸按照#400、#800和#1500的顺序进行上述抛光(防水砂纸的编号(#)表示磨料的粒度之间的差异，并且编号越大表示磨料的粒度越小)。
随后，利用Ar离子通过离子研磨法进一步使截面抛光面光滑化。离子研磨的条件如下所示。
加速电压：6kV
离子束入射角：距基材表面的法线方向为0°
离子束辐射时间：6小时
此后，可以利用具有EBSD装置的FE-SEM观察α-Al2O3层的平滑截面抛光面。例如，可以使用具有HKL NL02 EBSD检测器的Zeiss Supra 35VP(由Carl Zeiss制造)。可以通过将聚焦电子束单独照射到各像素上从而连续地收集EBSD数据。
<表面被覆切削工具的制造方法>
可以通过以下方式来制造本实施方案的表面被覆切削工具。
首先，烧结基材用原料，以制备(例如)硬质合金制基材。随后，根据需要，使用常规手段(如刷子或塑料介质)对基材的切削刃棱线附近的区域进行珩磨。
然后，通过化学气相沉积(CVD)法可适当地在基材上形成覆膜。在使用CVD法的情况下，沉积温度为800℃至1200℃。这个温度高于物理气相沉积法的温度，从而提高了覆膜和基材之间的密着性。在除了α-Al2O3层以外的任何层形成为覆膜的层的情况下，可以在常规已知的条件下形成这些层。
为了形成α-Al2O3层，例如，可以使用AlCl3、HCl、CO2、H2S和H2作为原料。含量分别为：0.5体积％至5体积％的AlCl3、1体积％至5体积％的HCl、0.3体积％至3体积％的CO2、0.05体积％至1.5体积％的H2S，余量为H2。此外，CVD装置的条件包括：950℃至1050℃的温度、1kPa至20kPa的压力以及10L/min至150L/min的气体流速(总气体量)。
应当注意的是，可通过适当地调节沉积时间来调整α-Al2O3层的厚度以及除了α-Al2O3层之外各层的厚度(各层的沉积速率为约0.5μm/小时至2.0μm/小时)。
在形成覆膜之后，可以根据需要基于以下各种方法中的任意一种进行表面处理，所述方法例如刷光、或喷丸(如喷砂、湿喷丸、喷丸硬化等)、或PVD轰击。由此可以将压缩应力施加至覆膜。
实施例
下文中，将参照以下实施例对本发明进行更加详细的描述。然而，本发明不限于下述实施例。
<基材的制备>
原料粉末具有如下组成：6.5质量％的Co、1.2质量％的TaC、0.5质量％的ZrC，和余量为WC，利用Attritor(湿式介质搅拌型精细研磨机，商标(型号)：“湿式Attritor 100S”，由Nippon Coke&Engineering制造)将上述原料粉末湿式混合10小时，此后进行干燥。此后，利用100MPa的压力使压坯挤压成型，将该压坯置于真空容器中，并在2Pa的真空中，在1440℃下保持1小时。
接着，将压坯由真空容器中取出，对底面进行表面抛光处理，然后进行切削刃处理。即，使用SiC刷对前刀面进行0.6mm的珩磨，从而制备具有JIS标准(日本工业标准)B 4120(2013)定义的CNMA120408形状的WC硬质合金基材(由住友电子工业株式会社制造)。如下文将描述的，对于用于形成α-Al2O3层的不同条件组合，制备多个基材。
<覆膜的形成>
在以上述方式获得的各基材的表面上形成覆膜。具体地说，在CVD装置中设置基材，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条件。表1示出了形成除了α-Al2O3层之外的各层的条件(温度条件、压力条件和厚度)。表2示出了用于形成除了α-Al2O3层之外的各层的原料气体的组成(体积％)。应当注意的是，用于形成α-Al2O3层之外其他各层的条件和原料气体组成对于各基材来说是共通的。
表3示出了用于形成α-Al2O3层的原料气体组成(体积％)、以及原料气体的温度条件和压力条件。如表3所示，形成α-Al2O3层的原料气体的气体条件有四种“a”至“d”。在本实施例中，这四种气体条件中的气体条件的组合例如适用于形成下层部、中间部和上层部。以这种方式，形成15种(样品1至15)α-Al2O3层。表4示出了适用于形成各样品的下层部、中间部和上层部的原料气体的气体条件(a至d)、以及各层部的厚度。以上述方式测量表1和表4中示出的α-Al2O3层的厚度以及除了α-Al2O3层之外的各层的厚度。在这些表中所示出的厚度为在五个位置处所测量的厚度的平均值。
以如下方式形成各层部。例如，在样品5的情况中，在气体条件“d”下以特定时间形成下层部。此后，将气体条件(气体组成)变为“a”，以形成中间部。此后，将气体条件变为“d”，从而形成上层部。
在表4中，样品12为由一层形成的α-Al2O3层，并且如下文中将进行详细描述的，该一层中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为80％。因此，用于形成该α-Al2O3层的气体条件以及该层的厚度在表中样品12的中间部的格中示出。样品13为由两层形成的α-Al2O3层，并且这两个层从基材侧开始依次对应于具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为15％的层以及具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为75％的层。因此，用于形成这些层的各气体条件以及各层厚度在表中示出于样品13的下部层和上部层的格中。
通过适当地调节形成层的沉积时间，从而能够调整α-Al2O3层的厚度以及除了α-Al2O3层之外各层的厚度。在表1和表2中，MT-TiCN表示由MT-CVD法形成的TiCN层，HT-TiCN表示由HT-CVD(高温CVD)法形成的TiCN层。TiN(第一层)意味着在基材上首先形成TiN层。在本实施例中，覆膜的组成由基材开始依次为TiN层、MT-TiCN层、HT-TiCN层、TiCNO层和α-Al2O3层。α-Al2O3层的组成由基材开始依次为下层部、中间部和上层部。在本实施例中，α-Al2O3层的上层部位于覆膜的最外表面。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
<表面处理>
对其中形成有覆膜的各样品进行喷丸，从而向覆膜施加压缩压力。
<α-Al2O3层取向性的测定>
对于以上述方式获得的各样品，沿着包含基材表面的法线的平面切割α-Al2O3层，并且如上所述对得到的截面(与α-Al2O3层垂直的截面)进行抛光。此外，如上所述利用具有EBSD装置的FE-SEM(商标(型号)：“SU6600”，由Hitachi High-Technologies公司制造)观察α-Al2O3层的截面抛光面，从而测定α-Al2O3晶粒的晶体取向。具体而言，通过上述晶体取向成像，计算在α-Al2O3层的各下层部、中间部和上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比、以及具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比。根据上述定义确定晶粒是具有(001)取向的α-Al2O3晶粒还是具有(110)取向的α-Al2O3晶粒。为了计算具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比以及具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比，使用20000x的观察放大倍率，并调整视野数目，从而获得200μm2的观察面积。
由上述取向性测定中获得的具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比以及具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比在下表5中示出。在表5中，还示出了α-Al2O3层的厚度(μm)、以及中间部的厚度与α-Al2O3层厚度之比(中间部的厚度/α-Al2O3层的厚度)(％)。
<切削试验>
对于各样品，即切削工具，在以下条件下进行了切削试验。
工件：FCD450圆棒
切削速度：250m/min
进给：0.30mm/rev
切削深度：1.5mm
切削油：湿式(水溶性油)
评价：后刀面磨损宽度≥0.3mm表示到达使用寿命终点。
对于切削试验，将切削工具置于切削器上，并切割工件。每30秒从切削器移除切削工具，并测量后刀面磨损量。将后刀面磨损量超过0.3mm的时间视为使用寿命，并基于此进行评价。切削工具的该时间越长，相应地其使用寿命也越长。因此，该切削工具能够被评价为具有以下效果：即提高了覆膜强度，并且能够抑制例如晶粒的粗化以及裂缝的产生。这些结果也在表5中示出。
表5的“备注”栏表示在切削试验期间和之后，通过对各样品进行观察而识别出的工具形状的变化。在表5的“备注”栏中，“性能良好”是指使用寿命为8分钟以上，并且在达到使用寿命终点之前未观察到表明(例如)崩裂出现或磨损显著增加的任何形状变化。
此外，“崩裂出现”是指在切削试验期间出现崩裂从而达到使用寿命终点。“磨损大”是指在切削试验期间磨损显著增加从而达到使用寿命终点。“覆膜剥离”是指在切削试验期间覆膜剥离从而达到使用寿命终点。
<试验结果及分析>
如表5所示，本实施例(样品1、2、5、6、7、8、10和14)的α-Al2O3层分别由下层部和上层部以及中间部构成，下层部和上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比小于35％，中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为35％以上。此外，α-Al2O3层的厚度为4μm至18μm，并且中间部的厚度占α-Al2O3层厚度的比率为50％以上。下层部和下层部各自的厚度为1μm以上。这些样品被评价为展示出“性能良好”。
特别地，除了在下层部、中间部和上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的上述特征之外，样品5、6和7还具有的特征在于，至少在上层部或下层部中，具有(110)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％以上。这些样品的使用寿命为11分钟以上，并展示出更好的性能。
然后，对比较例(样品3、4、9、11、12、13和15)的α-Al2O3层进行了分析。关于样品3，上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％，评价结果为“出现崩裂”，并且使用寿命为6分钟。据认为其原因是事实上在工具冷却时覆膜内出现裂缝。关于样品4，上层部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为40％，评价结果为“磨损大”，并且使用寿命为6分钟。据认为其原因是事实上在覆膜形成过程中α-Al2O3晶粒变粗。
关于样品9，中间部的厚度占α-Al2O3层厚度的比率小于50％，评价结果为“磨损大”，并且使用寿命为5分钟。据认为其原因是事实上在α-Al2O3层内具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比低，并且不能充分获得提高覆膜强度的效果。关于样品11，α-Al2O3层的厚度为20μm，评价结果为“覆膜剥离”，使用寿命为3分钟。据认为其原因是α-Al2O3层的厚度过大。
关于样品12和13，α-Al2O3层由一层或两层制成，在一些情况下，评价结果为“出现崩裂”且评价结果为“磨损大”。使用寿命为5分钟或6分钟。据认为其原因是事实上在α-Al2O3层内缺少下层部、中间部和上层部中的任一者引起了不利方面。关于样品15，中间部中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比为30％，评价结果为前刀面的“磨损大”，并且使用寿命为6分钟。据认为其原因是事实上α-Al2O3层中具有(001)取向的α-Al2O3晶粒的面积比低，并且不能充分获得提高覆膜强度的效果。
因此，本实施例的表面被覆切削工具优于比较例的表面被覆切削工具，这是因为通过(001)面方向的取向性，充分获得了提高覆膜强度的效果，进一步能够抑制冷却时晶粒的粗化以及覆膜中裂缝的产生，而这是由在(001)面方向上的过强取向导致的不利方面。
虽然以上已经对本发明的实施方案和实施例进行了描述，但是愿意是实施方案和实施例的上述特征可以适当地组合或以各种方式进行修改。
应当理解的是，本文所公开的实施方案在每个方面都是示例性而非限制性的。本发明的范围旨在由权利要求书的权项、而不是上述实施方案来限定，并且旨在包括与权利要求书的权项等同的范围和含义内的全部修改。