CN104271291B - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面被覆切削工具，其特征在于：包括基材以及形成于所述基材上的覆膜，所述覆膜包括一层或多层，所述覆膜中与基材相邻的层为TiN层，所述TiN层含有至少一种元素以及TiN，所述元素在TiN层的厚度方向上具有浓度分布，并且所述浓度分布包括这样的区域，在该区域中，在由所述基材至所述覆膜表面侧的方向上，所述元素的浓度降低。

Description

表面被覆切削工具

技术领域

本发明涉及表面被覆切削工具，其具有基材以及形成于该基材上的覆膜。

背景技术

切削加工的最近趋势包括(例如)从地球环境保护的角度考虑需要不使用切削油的干式加工、待切削工件的多样化、以及为了进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过程中趋向于具有更高的温度，并且工具材料所要求具有的特性也变得越来越严苛。

特别地，形成于工具表面的覆膜(例如，也称作陶瓷覆膜或硬质层)对于满足对工具材料的特性的这种要求而言是非常重要的因素。除了高硬度(耐磨性)和高温稳定性(抗氧化性)以外，这种覆膜所需的特性还包括对基材的强接着性。

为了提高覆膜对基材的接着性，日本专利公开No.05-237707(专利文件1)提出了在由硬质合金制成的基材上形成多个覆膜，并在第一覆膜中扩散W和Co。日本专利公开No.2002-331403(专利文件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，由此获得锚定效应。

引用列表

专利文件

专利文件1：日本专利公开No.05-237707

专利文件2：日本专利公开No.2002-331403

发明内容

技术问题

根据专利文件1，第一覆膜的被覆温度为700℃至800℃的低温。因此，难以充分提高基材与覆膜之间的接着性。根据专利文件2，覆膜沿基材表面上的凸起非均匀生长，并且这种非均匀的晶体生长会导致更低的耐磨性和强度方面的问题。

本发明鉴于上述当前背景而进行，并且本发明的目的在于提供基材与覆膜之间接着性优异的表面被覆切削工具。

解决问题的手段

为解决上述问题，本发明的发明人进行了充分的研究，从而发现通过以下方式可进一步提高所述接着性：将已知对基材的接着性优异的TiN层布置为覆膜的最底层，即将其布置在与基材邻接的位置，并使构成基材的成分扩散至TiN层中，并在此发现的基础上进行进一步研究，从而完成了本发明。

具体而言，本发明的表面被覆切削工具包括基材以及形成于该基材上的覆膜，该覆膜包括一层或两层或更多层，这些层中与基材邻接的层为TiN层，该TiN层含有至少一种元素以及TiN，该元素在所述TiN层的厚度方向上具有浓度分布，并且该浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，所述元素的浓度降低。

本发明的表面被覆切削工具主要包括以下两个方面：第一方面和第二方面。第二方面也可认为是第一方面的下位概念。

具体而言，本发明第一方面的表面被覆切削工具包括基材以及形成于该基材上的覆膜，该覆膜包括一层或两层或多层，这些层中与基材邻接的层为TiN层，该TiN层含有C以及TiN，C在TiN层的厚度方向上具有浓度分布，该浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，C的浓度降低。

优选的是，所述浓度分布中C的最大浓度和最小浓度之差优选为10原子％，并且C的最大浓度优选为30原子％以下。

优选的是，所述浓度分布具有以下分布：其中在自基材起的方向上C的浓度降低，之后达到极小点，此后在朝向覆膜的表面的方向上C的浓度增加，并且TiN层的厚度优选为0.1至0.5μm。

优选地，覆膜包括直接位于TiN层的TiCN层，该TiCN层含有TiCN，并且该TiCN层中C的最大浓度为20原子％以上。

优选地，该覆膜还包括其他层，并且该其他层为由选自由元素周期表中的4族元素(如Ti、Zr、Hf)、5族元素(如V、Nb、Ta)和6族元素(如Cr、Mo、W)、Al和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素所构成的化合物制成的一层或多层。

该覆膜优选通过化学气相沉积形成，并且该基材优选为硬质合金。

本发明第二方面的表面被覆切削工具包括基材以及形成于该基材上的覆膜，该基材由硬质合金制成，该覆膜包括一层或两层或多层，这些层中与基材邻接的层为TiN层，该TiN层含有C、Co和TiN，C和Co各自在TiN层的厚度方向上具有浓度分布，C的浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，C的浓度降低，并且Co的浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由基材至覆膜的表面的方向上，Co的浓度降低。

优选地，该TiN层中C和Co的原子比为：C为Co的两倍以上，在C的浓度分布中，C的最大浓度和最小浓度之差优选为10原子％以上。

C的最大浓度优选为30原子％以下，并且Co的最大浓度优选为5原子％以下。优选地，C的浓度分布具有这样的分布，其中在自基材起的方向上C的浓度降低，然后达到极小点，其后在朝向覆膜表面的方向上增加，并且Co的浓度分布具有这样的分布，其中在由基材至覆膜表面的方向上，Co的浓度降低。

TiN层的厚度优选为0.1μm至0.5μm。优选地，覆膜包括直接位于TiN层上的TiCN层，该TiCN层含有TiCN，并且该TiCN层中C的最大浓度为20原子％以上。

优选地，该覆膜还包括其他层，并且该其他层为由选自由元素周期表中4族元素(如Ti、Zr、Hf)、5族元素(如V、Nb、Ta)和6族元素(如Cr、Mo、W)、Al、和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素构成的化合物制成的一层或多层。该覆膜优选通过化学气相沉积形成。

发明的有益效果

本发明的表面被覆切削工具具有上述特性，因此具有显著优异的效果，即基材与形成于该基材表面上的覆膜之间的接着性优异。由此，本发明的表面被覆切削工具在切削加工中实现了长寿命。

具体实施方式

以下将更详细的说明本发明。

<表面被覆切削工具>

本发明的表面被覆切削工具的结构包括基材以及形成于该基材上的覆膜。虽然优选该覆膜覆盖基材的整个表面，但未能覆盖部分基材的覆膜或具有部分不同结构的覆膜并不脱离本发明的范围。

本发明的这种表面被覆切削工具适用作切削工具，如钻头、端铣刀、钻孔用可转位刀片、端铣削用可转位刀片、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、铰刀和丝锥等。

以下，将分别对第一方面和第二方面的本发明的表面被覆切削工具进行进一步详细说明。

<第一方面的表面被覆切削工具>

<基材>

作为用于本发明第一方面的表面被覆切削工具的基材，可使用任何常规已知的基材，只要其含有碳即可。例如，所述基材优选为硬质合金(如WC基硬质合金、含有WC和Co的硬质合金、以及含有WC和Co并还含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬质合金)、金属陶瓷(主要成分为TiC、TiN或TiCN等)、高速钢、陶瓷材料(如碳化钛、碳化硅等)、以及金刚石烧结体中的任意一者。

在这些各式材料中，特别优选硬质合金，这是因为C可以容易地扩散至TiN层中。

在表面被覆切削工具为可转位刀片等的情况中，基材可具有或不具有断屑器，并且刀刃棱线可成形为锐利刀刃(前刀面和后刀面相交处的棱线)、成形为珩磨刀刃(将锐利刀刃加工磨圆(R))、成形为具有负倒棱(斜刃)或成形为具有珩磨刀刃和负倒棱的组合。

<覆膜>

本发明第一方面的覆膜由一层或两层或多层形成。这种覆膜形成的目的通常为改善切削工具的各种特性，如耐磨性、耐断裂性等，和/或使使用过的切削刃具有辨识性。

对该覆膜的厚度没有特别限定，并且可以是(例如)3μm至20μm，更优选为4μm至15μm。对于该覆膜，可使用任何常规已知的成形方法(沉积方法)，如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，而没有特别限定。尤其优选将化学气相沉积用于形成该覆膜，这是因为与物理气相沉积等相比，化学气相沉积的应用能够提供相对高的沉积温度(800℃至1050℃)以及对基材的优异接着性。

<TiN层>

本发明第一方面的覆膜如上所述由一层或两层或多层形成。在这些层中，与基材邻接的是TiN层。TiN层具有对各种基材中的任一种均具有优异的接着性的优异功能。

在本发明第一方面中，该TiN层的特征在于：该TiN层含有C(碳)和TiCN，C在TiN层的厚度方向上具有浓度分布，并且该浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C浓度降低。TiN层通过具有这些特性从而显著提高了基材与覆膜之间的接着性。

以上的原因在于以下事实：基材中的C经基材与TiN层之间的界面扩散至TiN层中，从而提高了基材与TiN层(覆膜)之间的接着性。虽然从提高接着性的观点出发，如此扩散至TiN层中的C是一个重要因素，但C也具有使覆膜脆化的反作用。因此，从覆膜的强度的观点出发，C的存在是不优选的。因此，根据本发明第一方面，通过这样提供C以使得C在TiN层的厚度方向上具有如下浓度分布，从而在这些彼此相反的功能之间进行权衡，其中在上述浓度分布中，随着与基材间的距离越小，C的浓度越高，并且在朝向覆膜表面的方向上，C的浓度降低。

即，本发明第一方面中的TiN层的特征在于：该TiN层含有C以及TiN，C在TiN层的厚度方向上具有浓度分布，并且该浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上，C的浓度降低。

此处，对C(碳)以何种形式存在于TiN层中没有特别限定。据认为，C以碳原子的形式存在或者以在TiN中的C固溶体的形式存在。“包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上，C的浓度降低”意思是在TiN层的厚度方向上的C浓度分布可包括这样的部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上C浓度降低，并且只要C浓度分布中包括这样的部分，则其也可以包括(例如)在厚度方向上C浓度恒定的部分、在朝向覆膜表面的方向上C浓度增加的部分、或者不含C的部分。

此外，在所述浓度分布中，C的最大浓度和最小浓度之差优选为10原子％以上。C的最大浓度优选为30原子％以下。这是由于，若C的最大浓度高于30原子％，则使覆膜脆化的作用比提高接着性的作用更强，从而导致覆膜的强度降低。若C的最大浓度和最小浓度之差小于10原子％，则不能充分体现提高接着性的作用。虽然对C的最大浓度的下限没有特别限定，但从充分体现提高接着性的作用的观点出发，该下限优选为5原子％以上。如上所述，由于C的最大浓度优选为30原子％以下，因此C的最大浓度和最小浓度之差优选为15原子％以下。

此处，C的浓度(原子％)是指相对于构成TiN层的全部原子的百分数。

另外，所述浓度分布优选具有这样的分布：其中在自基材起的方向上C的浓度降低，然后达到极小点，其后在朝向该覆膜表面的方向上C浓度增加。其原因如下。浓度极小点的存在确保了C浓度较低的区域的存在，由此抑制了由C引起的覆膜的脆化。因而，防止了覆膜强度下降。此外，在朝向覆膜表面的方向上C浓度升高能使覆膜的硬度增加。即，该浓度分布使得覆膜的高强度和高硬度均得以实现。

可通过不同的方法使在朝向覆膜表面的方向上C浓度增加。据认为，最简单且最优选的是从直接形成于TiN层上的层来扩散C。

本发明第一方面中的该TiN层的厚度优选为0.1μm至0.5μm(0.1μm以上0.5μm以下)。若TiN层的厚度小于0.1μm，则不能充分体现提高接着性的作用。若TiN层的厚度大于0.5μm，则覆膜整体的耐磨性劣化。TiN层的厚度更优选为0.2μm至0.4μm。

在本发明第一方面中，可利用透射电子显微镜并通过EDS(能量色散X射线分析仪)对覆膜的横截面进行分析，从而鉴定覆膜的组成以及覆膜中C的浓度。可通过用扫描电子显微镜观察覆膜的横截面从而测定覆膜的厚度。

<TiCN层>

本发明第一方面的覆膜优选包括直接位于TiN层上的TiCN层。该TiCN层含有TiCN。在该TiCN层中，C(碳)的最大浓度优选为20原子％以上。如此直接位于TiN层上的TiCN层使得C由该TiCN层扩散至TiN层中，从而提高了这些层之间的接着性。

TiCN层中C的最大浓度优选为20原子％以上，这是因为该浓度对提高TiCN层的耐磨性是必要的。C的最大浓度更优选为30原子％以上，由于上限高于60原子％时会导致脆化，因此其上限优选为60原子％以下。

关于本发明的第一方面，对于原子比没有明确规定的化学式“TiN”和“TiCN”等并不意味着各元素的原子比仅为“1”。相反，其原子比可以是所有常规已知的原子比中的任意原子比。特别地，关于TiCN层中的TiCN，C的比例可高于化学计量比。

<其他层>

除了上述的TiN层和TiCN层以外，本发明第一方面的覆膜还可包括其他层。所述其他层形成于TiCN层(在没有形成TiCN层的情况下为TiN层)之上。

该其他层优选为由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、Al、和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素构成的化合物制成的一个或多个层。可以形成上述其他层从而提高切削工具的各种特性，如耐磨性、耐断裂性等，和/或使使用过的切削刃具有辨识性。

制成上述其他层的化合物的具体例子可以是(例如)TiC、Al₂O₃、ZrN、TiAlN、TiBN、TiCN、TiN、CrN、ZrCN、AlZrO、HfN、TiSiCN、ZrO₂、TiB₂、TiAlCN、TiCNO和Ti₂O₃。

所列上述化合物的具体例子包括TiN和TiCN，这意味着TiN层除了直接位于基材上的位置以外，还可以置于任何其他位置；并且TiCN层除了可直接位于TiN层上以外，还可以置于任何其他位置。

<制造方法>

例如，可按以下方式制造本发明第一方面的表面被覆切削工具。

首先，制备基材。在基材为硬质合金的情况下，优选进行一次或多次复合步骤来制造基材，其中该复合步骤由高压升温步骤和低压升温步骤组成。

这里，高压升温步骤是指这样的步骤：将基材前体(成形为所需形状的原料粉末)设置在加热装置如CVD炉中，并在以0.5L/分钟至5L/分钟的较低的总流速引入H₂气和Ar气的同时，在800hPa至大气压(1013hPa)的高压状态以及900℃至1000℃的温度下保持60至180分钟。此步骤增加了基材表面附近的C浓度。

该低压升温步骤是指这样的步骤：将经过高压升温步骤的基材前体仍然设置在同一装置中，并在以10L/分钟至50L/分钟的较低的总流速引入H₂气和N₂气的同时，在10hPa至50hPa的低压状态以及900℃至1000℃的温度下保持15至30分钟。该步骤进一步促进了基材表面附近的C浓度的增加。即，将这些高压升温步骤和低压升温步骤重复一次或多次从而增加基材表面附近的C浓度。由此，在后续的覆膜形成步骤(TiN层形成步骤)中，基材中的C易于扩散至TiN层，并且形成了具有本发明第一方面的特性的TiN层。

在高压升温步骤中，压力越高、气体流速越低或温度越高越能进一步促进基材表面附近的C浓度的增加。同理，在低压升温步骤中，压力越低、气体流速越低或温度越高越能进一步促进基材表面附近的C浓度的增加。因此，促进基材表面附近的C浓度的增加相应地增加了扩散至TiN层中的C的浓度。

相反，在基材为陶瓷材料的情况下，可选择(例如)组成中包含C的材料如SiC，并可进行与硬质合金中的上述步骤相似的步骤来制造基材，从而促进基材表面附近的C浓度的增加。

在基材为立方氮化硼的情况下，可选择组成中包含C的粘结剂，如TiC或WC-Co，并可进行与硬质合金中的上述步骤相似的步骤来制造基材，从而促进基材表面附近的C浓度的增加。

接下来，在以上述方式制备的基材的表面上形成TiN层。该TiN层优选通过CVD的方法形成。例如，在40hPa至100hPa的压力下，将反应气体供至CVD炉中，具体而言，以15L/分钟至40L/分钟的流速提供H₂气、以10L/分钟至30L/分钟的流速提供N₂气，并以1L/分钟至5L/分钟的流速提供TiCl₄气，并在900℃至1000℃的温度下开始沉积。此后，将该沉积温度逐渐降低至840℃至860℃的最终温度。沉积的时间优选为20至60分钟。在TiN层形成(沉积)过程中，可逐渐降低温度，由此在TiN层的厚度方向上产生浓度分布，以便该浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的浓度降低。

这种情况下，压力越低、气体流速越低或者温度降低幅度越大，则在浓度分布中获得的最大浓度与最小浓度之差越大。

在通过PVD的方法形成TiN层的情况下，可采用以下条件。具体而言，在N₂气气氛下，在温度为700℃以上、压力为0.5Pa至2Pa、电弧电流为150A且偏压为30V的条件下开始进行沉积、将温度逐渐降至400℃至500℃的最终温度，并在20分钟至30分钟内完成沉积。这样，所产生的TiN层中的C浓度分布与上述情况相似。

这种情况下，可使温度更高，从而增加浓度分布中最大浓度与最小浓度之差。

在随后于TiN层上形成TiCN层的情况下，该TiCN层同样优选地通过CVD的方法形成。即，例如，在40hPa至100hPa的压力下将反应气体供至CVD炉中，具体而言，以50L/分钟至100L/分钟的流速提供H₂气、以10L/分钟至40L/分钟的流速提供N₂气、以1L/分钟至6L/分钟的流速提供TiCl₄气、并以0.2L/分钟至1.0L/分钟的流速提供CH₃CN气，并在800℃至870℃的温度下完成沉积。此沉积时间优选为100至200分钟。由此，TiN层的形成(沉积)可在100hPa以下的低压下完成、更优选在50hPa以下完成，从而降低TiCN层的沉积速率并促进TiCN层中的C向已形成的TiN层中扩散。由此，在TiN层中C的浓度分布中产生了极小点。

这种情况下，压力越低、气体流速越低或者温度越高，极小点的位置距离TiCN层越远。

在利用PVD来形成TiCN层的情况下，可采用以下条件。具体而言，在由CH₄和N₂组成的气体气氛下，可采用流速比CH₄/N₂为1/6至1/1、电弧电流为150A、偏压为100V至250V、温度为400℃至500℃、且压力为0.5Pa至3Pa的条件，从而同样在TiN层中的C浓度分布中产生极小点。

这种情况下，温度越高，极小点的位置距离TiCN层越远。

在随后于TiCN层(在没有形成TiCN层的情况下则为TiN层)上形成充当覆层的其他层的情况中，可通过常规已知的CVD或PVD的方法来形成其他层。这种情况下，若通过CVD的方法形成TiN层和TiCN层，则其他层优选地也通过CVD的方法形成。

这样，可制造具有本发明第一方面的特性的表面被覆切削工具。

<第二方面的表面被覆切削工具>

<基材>

用于本发明第二方面的表面被覆切削工具的基材由硬质合金制成。该硬质合金可以是(例如)WC基硬质合金、含有WC和Co的硬质合金、或含有WC和Co并还含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的硬质合金。可使用具有常规已知组成的任意硬质合金而没有特别限定，只要其含有C和Co即可。

在表面被覆切削工具为可转位刀片等的情况中，该基材可具有或不具有断屑器，并且刀刃棱线可成形为锐利刀刃(前刀面和后刀面相交的棱线)、成形为珩磨刀刃(将锐利刀刃加工磨圆(R))、成形为具有负倒棱(斜刃)或成形为具有珩磨刀刃和负倒棱的组合。

<覆膜>

本发明第二方面的覆膜由一层或两层或多层形成。这种覆膜形成的目的通常是为了改善切削工具的各种特性，如耐磨性、耐断裂性等，和/或使使用过的切削刃具有辨识性。

对该覆膜的厚度没有特别限定，并且可以是(例如)3μm至20μm，更优选为4μm至15μm。对于该覆膜，可使用任何常规已知的成形方法(沉积方法)，如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，而没有特别限定。尤其优选将化学气相沉积用于形成该覆膜，这是因为与物理气相沉积等相比，化学气相沉积的应用能够提供相对高的沉积温度(800℃至1050℃)以及对基材优异的接着性。

<TiN层>

本发明第二方面的覆膜由上述一层或两层或多层形成。在这些层中，与基材邻接的层为TiN层。该TiN层具有对硬质合金的接着性优异的优异功能。

在本发明第二方面中，该TiN层的特征在于：该TiN层含有C(碳)、Co(钴)以及TiN，C和Co在TiN层的厚度方向上均具有浓度分布，并且C的浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的浓度降低，Co浓度分布包括这样的区域，其中在从由基材至覆膜表面的方向上，Co的浓度降低。该TiN层具有这些特性，从而显著提高基材与覆膜之间的接着性。

以上的原因在于以下事实：基材中的C和Co经基材与TiN层之间的界面扩散至TiN层中，从而提高了基材与TiN层(覆膜)之间的接着性。虽然从提高接着性的观点出发，如此扩散至TiN层中的C是一个重要因素，但C也具有使覆膜脆化的反作用。因此，从覆膜的强度的观点出发，C的存在是不优选的。与上述C相似，虽然从提高接着性的观点出发，Co也是一个重要因素，但Co也具有降低覆膜硬度的反作用。因此，从覆膜的硬度的观点出发，Co的存在是不优选的。

因此，根据本发明第二方面，通过这样提供C和Co以使得C和Co在TiN层的厚度方向上各自具有如下浓度分布，从而在这些彼此相反的功能之间进行权衡，其中在上述浓度分布中，随着与基材间的距离越小，C和Co的浓度越高，并且在朝向覆膜表面的方向上，C和Co的浓度降低。

即，本发明第二方面中的TiN层的特征在于：TiN层含有C、Co和TiCN，C和Co在TiN层的厚度方向上均具有浓度分布，并且C浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的浓度降低，Co的浓度分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上，Co的浓度降低。

此处，对C(碳)和Co(钴)以何种形式存在于TiN层中均没有特别限定。据认为，C和Co均以原子的形式存在或者以在TiN层中的C或Co的固溶体的形式存在。“包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C的浓度降低”意思是在TiN层的厚度方向上的C浓度分布可包括这样的部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上C浓度降低，并且只要该分布包括这样的部分，则其也可以包括(例如)在厚度方向上C浓度恒定的部分、在朝向覆膜表面的方向上其浓度增加的部分、或者不含C的部分。同理，“包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上Co的浓度降低”意思是在TiN层的厚度方向上的Co浓度分布可包括这样的部分，其中在由基材向覆膜表面的方向上Co浓度降低，并且只要该分布包括这样的部分，则其也可以包括(例如)在厚度方向上Co浓度恒定的部分、在朝向覆膜表面的方向上其浓度增加的部分、或者不含Co的部分。

应该注意到，“由基材至覆膜表面的方向上C的浓度降低的区域”和“由基材至覆膜表面的方向上Co的浓度降低的区域”可以彼此一致或重叠，或者彼此不同。

此外，TiN层中的C和Co优选具有这样的原子比：C为Co的两倍以上，其原因如下。即，当C和Co扩散至TiN层从而如上所述提高基材与TiN层之间的接着性时，扩散至TiN层中的过量Co将显著降低TiN层的硬度。更优选地，C和Co具有这样的原子比：C为Co的三倍以上。由于C和Co在TiN层的厚度方向上均具有浓度分布，因此，需要在TiN层的同一位置测量C和Co各自的浓度。

此外，在浓度分布中，C的最大浓度和最小浓度之差优选为10原子％以上。C的最大浓度优选为30原子％以下。这是由于，若C的最大浓度高于30原子％，则使覆膜脆化的作用比提高接着性的作用更强，从而导致覆膜的强度降低。若C的最大浓度和最小浓度之差小于10原子％，则不能充分体现提高接着性的作用。虽然对C的最大浓度的下限没有特别限定，但从充分体现提高接着性的作用的观点出发，该下限优选5原子％以上。由于如上所述，C的最大浓度优选30原子％以下，因此C的最大浓度和最小浓度之差优选为15原子％以下。

此外，在浓度分布中，Co的最大浓度优选为5原子％以下。这是由于，若Co的最大浓度高于5原子％，则降低覆膜硬度的作用比提高接着性的作用更强。虽然对Co的最大浓度的下限没有特别限定，但从充分体现提高接着性的作用的观点出发，其下限优选1原子％以上。

此处，C和Co的浓度(原子％)是指相对于构成TiN层的全部原子的百分数。

另外，C的浓度分布优选具有这样的分布：其中在自基材起的方向上C的浓度降低，然后达到极小点，其后在朝向该覆膜表面的方向上C浓度增加。这是由于以下原因。浓度极小点的存在确保了C浓度较低的区域的存在，由此抑制了由C引起的覆膜的脆化。因而，防止了该覆膜的强度下降。此外，在朝向覆膜表面的方向上C浓度升高能使覆膜的硬度增加。

可通过不同的方法使在朝向覆膜表面的方向上C浓度增加。据认为，最简单且最优选的是由直接形成于TiN层上的层扩散C。

相反，Co的浓度分布优选具有这样的分布：其中Co的浓度在由基材至覆膜表面的方向上降低。这是由于以下原因。在基材的附近，使Co的浓度更高从而提高对基材的接着性。同时，随自与基材间的距离增加，使Co浓度逐渐变低，从而防止硬度降低。

这样，限定了C和Co各自的浓度分布，从而使得能够同时实现覆膜的高强度和高硬度。

本发明第二方面中的TiN层的厚度优选为0.1μm至0.5μm(0.1μm以上0.5μm以下)。若TiN层的厚度小于0.1μm，则不能充分体现提高接着性的作用。若TiN层的厚度大于0.5μm，则覆膜整体的耐磨性会劣化。TiN层的厚度更优选为0.2μm至0.4μm。

在本发明第二方面中，可利用透射电子显微镜并通过EDS(能量色散X射线分析仪)对覆膜的横截面进行分析，从而鉴定覆膜的组成以及覆膜中C和Co各自的浓度。可通过用扫描电子显微镜观察覆膜的横截面从而测定覆膜的厚度。

<TiCN层>

本发明第二方面的覆膜优选包括直接位于TiN层上的TiCN层。该TiCN层含有TiCN。在该TiCN层中，C(碳)的最大浓度优选为20原子％以上。如此直接位于TiN层上的TiCN层使得C由该TiCN层扩散至TiN层中，从而提高了这些层之间的接着性。

TiCN层中C的最大浓度优选为20原子％以上，这是因为该浓度对提高TiCN层的耐磨性是必要的。C的最大浓度更优选为30原子％以上，由于上限高于60原子％时会导致脆化并使强度降低，因此其上限优选为60原子％以下。

关于本发明的第二方面，对于原子比没有明确规定的化学式“TiN”和“TiCN”等并不意味着各元素的原子比仅为“1”。相反，其原子比可以是所有常规已知的原子比中的任意原子比。特别地，关于TiCN层中的TiCN，C的比例可高于化学计量比。

<其他层>

除了上述的TiN层和TiCN层以外，本发明第二方面的覆膜还可包括其他层。所述其他层形成于TiCN层(在没有形成TiCN层的情况下为TiN层)之上。

该其他层优选为由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、Al、和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素构成的化合物制成的一个或多个层。可以形成上述其他层从而提高切削工具的各种特性，如耐磨性、耐断裂性等，和/或使使用过的切削刃具有辨识性。

制成上述其他层的化合物的具体例子可以是(例如)TiC、Al₂O₃、ZrN、TiAlN、TiBN、TiCN、TiN、CrN、ZrCN、ZrO₂、AlZrO、HfN、TiSiCN、TiB₂、TiAlCN、TiCNO、和Ti₂O₃。

所列上述化合物的具体例子包括TiN和TiCN，这意味着TiN层除了直接位于基材上的位置以外，还可以置于任何其他位置；并且TiCN层除了可直接位于TiN层上以外，还可以置于任何其他位置。

<制造方法>

例如，可按以下方式制造本发明第二方面的表面被覆切削工具。

首先，制备基材。在制造基材时，优选进行一次或多次复合步骤来制造基材，其中该复合步骤由高压升温步骤和低压升温步骤组成。

这里，高压升温步骤是指这样的步骤：将基材前体(成形为所需形状的原料粉末)设置在加热装置如CVD炉中，并在以0.5L/分钟至5L/分钟的较低的总流速引入H₂气和Ar气的同时，在800hPa至大气压(1013hPa)的高压状态以及900℃至1000℃的温度下保持60至180分钟。此步骤增加了基材表面附近的C浓度和Co浓度。

该低压升温步骤是指这样的步骤：将经过高压升温步骤的基材前体仍然设置在同一装置中，并在以10L/分钟至50L/分钟的较低的总流速引入H₂气和N₂气的同时，在10hPa至50hPa的低压状态以及900℃至1000℃的温度下保持15至30分钟。该步骤进一步促进了基材表面附近的C浓度和Co浓度的增加。即，将这些高压升温步骤和低压升温步骤重复一次或多次从而增加基材表面附近的C浓度和Co浓度。由此，在后续的覆膜形成步骤(TiN层形成步骤)中，基材中的C和Co易于扩散至TiN层，并且形成了具有本发明第二方面的特性的TiN层。

在高压升温步骤中，压力越高、气体流速越低或温度越高越能进一步促进基材表面附近的C浓度和Co浓度的增加。同理，在低压升温步骤中，压力越低、气体流速越低或温度越高越能进一步促进基材表面附近的C浓度和Co浓度的增加。因此，促进基材表面附近的C浓度和Co浓度的增加相应地增加了扩散至TiN层中的C的浓度和Co的浓度。

接下来，在以上述方式制备的基材的表面上形成TiN层。该TiN层优选通过CVD的方法形成。例如，在40hPa至100hPa的压力下，将反应气体供至CVD炉中，具体而言，以15L/分钟至40L/分钟的流速提供H₂气、以10L/分钟至30L/分钟的流速提供N₂气，并以1L/分钟至5L/分钟的流速提供TiCl₄气，并在900℃至1000℃的温度下开始沉积。此后，将该沉积温度逐渐降低至840℃至860℃的最终温度。沉积的时间优选为20至60分钟。在TiN层形成(沉积)过程中，可逐渐降低温度，由此在TiN层的厚度方向上分别产生C和Co的浓度分布，以便该各浓度分布分布包括这样的区域，其中在由基材至覆膜表面的方向上C或Co的浓度降低。

这种情况下，压力越低、流速越低或者温度降低幅度越大，则在C的浓度分布和Co的浓度分布中所获得的最大浓度与最小浓度之间的差均越大。

在通过PVD的方法形成TiN层的情况下，可采用以下条件。具体而言，在N₂气气氛下，在温度为700℃以上、压力为0.2至2Pa、电弧电流为150A且偏压为30V的条件下开始沉积，将温度逐渐降至400℃至500℃的最终温度并在20至30分钟内完成沉积。这样，TiN层中产生的C和Co的浓度分布与上述情况相似。

这种情况下，可使温度更高从而增加C和Co各自的浓度分布中最大浓度与最小浓度之差。

在随后于TiN层上形成TiCN层的情况下，该TiCN层同样优选地通过CVD的方法形成。即，例如，在40hPa至100hPa的压力下将反应气体供至CVD炉中，具体而言，以50L/分钟至100L/分钟的流速提供H₂气、以10L/分钟至40L/分钟的流速提供N₂气、以1L/分钟至6L/分钟的流速提供TiCl₄气、并以0.2L/分钟至1.0L/分钟的流速提供CH₃CN气，并在800℃至870℃的温度下完成沉积。此沉积时间优选为100至200分钟。由此，TiN层的形成(沉积)可在100hPa以下的低压下完成、更优选在50hPa以下完成，从而降低TiCN层的沉积速率并促进TiCN层中的C向已形成的TiN层中扩散。由此，在TiN层中C的浓度分布中产生了极小点。

这种情况下，压力越低、气体流速越低或者温度越高，极小点的位置距离TiCN层越远。

在利用PVD来形成TiCN层的情况下，可采用以下条件。具体而言，在由CH₄和N₂组成的气体气氛下，可采用流速比CH₄/N₂为1/6至1/1、电弧电流为150A、偏压为100V至250V、温度为400℃至500℃、且压力为0.5Pa至3Pa的条件，从而同样在TiN层中的C浓度分布中产生极小点。

这种情况下，温度越高，极小点的位置距离TiCN层越远。

在随后于TiCN层(在没有形成TiCN层的情况下则为TiN层)上形成充当覆层的其他层的情况中，可通过常规已知的CVD或PVD的方法来形成其他层。这种情况下，若通过CVD的方法形成TiN层和TiCN层，则其他层优选地也通过CVD的方法形成。

这样，可制造具有本发明第二方面的特性的表面被覆切削工具。

实施例

以下，将结合实施例进一步详细说明本发明。但本发明并不限于此。

<实施例1>

将组成为2.0质量％的TaC、10.0质量％的Co以及余量的WC(应该注意到，该组成中包含不可避免的杂质)的原料粉末充分混合并随后压制成形为所需形状，并烧结。关于其形状，制备了两种不同类型，即形状为“SDKN42MT”(由Sumitomo Electric Hardmetal公司制造)的铣削用可转位刀片以及形状为“CNMG120408N-GU”(由Sumitomo Electric Hardmetal公司制造)的车削用可转位刀片。

接着，将如上所述压制成形的基材前体设置在CVD炉中，并在以下条件下保持100分钟：大气压(1013hPa)、H₂气流速为2L/分钟、Ar气流速为2L/分钟、以及910℃(高压升温步骤)。

接着，将经过了高压升温步骤并且仍设置在该CVD炉中的基材前体在以下条件下保持20分钟：压力为48hPa、H₂气流速为18L/分钟、N₂气流速为9L/分钟、以及910℃(低压升温步骤)。

由此制造了用于切削工具的硬质合金制基材(有两种不同形状)。接下来，在各基材仍设置在CVD炉中的同时，通过CVD在各基材上形成TiN层。具体而言，在以下条件下开始沉积：压力为48hPa、H₂气流速为35L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、TiCl₄气流速为2L/分钟、以及900℃的温度。此后，该温度逐渐降至860℃的最终温度。沉积时间为30分钟。由此在各基材上形成0.3μm的TiN层。

接下来，通过CVD在由此形成的TiN层上形成TiCN层。具体而言，在压力为48hPa、H₂气流速为90L/分钟、N₂气流速为30L/分钟、TiCl₄气流速为5L/分钟、CH₃CN气流速为0.8L/分钟、以及温度为860℃的条件下，在200分钟内完成沉积，从而在TiN层上形成5.2μm的TiCN层。

此后，通过CVD的方法在该TiCN层上依次形成其他层，即3.5μm的Al₂O₃层和0.5μm的TiN层。该Al₂O₃层是在以下条件下通过蒸发Al而形成：压力为67hPa、温度为980℃、H₂气流速为40L/分钟、CO₂气流速为2L/分钟、HCl气流速为2L/分钟(沉积时间：260分钟)。该TiN层在以下条件下形成：压力为67hPa、温度为980℃、H₂气流速为50L/分钟、N₂气流速为35L/分钟、TiCl₄气流速为4L/分钟、沉积时间为30分钟。

这样，制备了本发明第一方面的表面被覆切削工具。将各表面被覆切削工具沿包括前刀面的覆膜表面的法线以及后刀面的覆膜表面的法线的任意平面切割，利用透射电子显微镜(装置名称：“JEM-2100F”，由JEOL株式会社制造)，在加速电压为200kV的条件下通过EDS分析来测量所得截面。由此确认了在该基材上依次形成有0.3μm的TiN层、5.2μm的TiCN层、3.5μm的Al₂O₃层、0.5μm的TiN层，直接位于该基材上的TiN层具有如表1所示的C浓度分布、并且确认了TiCN层中C的最大浓度。通过用扫描电子显微镜(装置名称：“S-3400”，由Hitachi High-Technologies公司制造)观察上述横截面来确认各层的厚度。

<实施例2至16>、

按照与实施例1中的表面被覆切削工具相似的方式制造实施例2至16中的表面被覆切削工具。

与实施例1不同的是，按以下所示的相应范围调节用于制造基材的高压升温步骤以及低压升温步骤的条件、形成TiN层的条件、以及形成TiCN层的条件。

具体而言，在以下范围内调节高压升温步骤的条件：压力为800hPa至大气压(1013hPa)、H₂气流速为0.5L/分钟至5L/分钟、Ar气流速为0.5L/分钟至5L/分钟(H₂气和Ar气的总流速为0.5L/分钟至5L/分钟)、温度为900℃至1000℃、保持时间为60分钟至180分钟。

在以下范围内调节低压升温步骤的条件：压力为10hPa至50hPa、H₂气流速为10L/分钟至50L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至50L/分钟(H₂气和N₂气的总流速为10L/分钟至50L/分钟)、温度为900℃至1000℃、并且保持时间为15至30分钟。

在以下范围内调节形成TiN层的条件。在以下条件下开始进行沉积：压力为40至100hPa、H₂气流速为15L/分钟至40L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至30L/分钟、TiCl₄气流速为1L/分钟至5L/分钟、温度为900℃至1000℃，然后温度逐渐降至840℃至860℃的最终温度，并且在20至60分钟内完成沉积。

在以下范围内调节形成TiCN层的条件：压力为40hPa至100hPa、H₂气流速为50L/分钟至100L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至40L/分钟、TiCl₄气流速为1L/分钟至6L/分钟、CH₃CN气流速为0.2L/分钟至1.0L/分钟、温度为800℃至870℃且沉积时间为100分钟至200分钟。

关于实施例11，上述条件如下：压力为110hPa、H₂气流速为70L/分钟、N₂气流速为50L/分钟、TiCl₄气流速为6L/分钟、CH₃CN气流速为1.5L/分钟、温度为880℃且沉积时间为80分钟。因此，没有产生极小点。

关于实施例12，上述条件如下：压力为100hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为60L/分钟、TiCl₄气流速为6L/分钟、CH₃CN气流速为2.0L/分钟、温度为880℃且沉积时间为60分钟。因此，没有产生极小点。

在与实施例1相同的条件下制备其他层。对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布如表1所示，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

<实施例17至18>

在与实施例1相似的条件下制造基材和TiN层。此后，形成其他层而不形成TiCN层。

实施例17中的其他层依次为通过CVD的方法形成的3.5μm的ZrN层和2.5μm的TiN层，并且实施例18中的其他层依次为通过CVD的方法形成的3.5μm的TiAlN层和2.5μm的TiSiCN层。

关于上述指定的其他层，在以下条件下形成ZrN层：压力为160hPa、温度为1000℃、ZrCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为20L/分钟、H₂气流速为55L/分钟且沉积时间为300分钟；在以下条件下形成TiN层：压力为133hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、H₂气流速为30L/分钟且沉积时间为210分钟；在以下条件下形成TiAlN层：压力为13hPa、温度为800℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、AlCl₃气流速为1.5L/分钟、NH₃气流速为4L/分钟、N₂气流速为12L/分钟、H₂气流速为12L/分钟且沉积时间为120分钟；并且在以下条件下形成TiSiCN层：压力为40hP_a、温度为830℃、TiCl₄气流速为2.5L/分钟、SiCl₄气流速为0.5L/分钟、NH₃气流速为5L/分钟、C₂H₂气流速为5.5L/分钟、N₂气流速为2L/分钟、H₂气流速为50L/分钟且沉积时间为60分钟。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布如表1所示。关于实施例17和18，在TiN层上没有形成TiCN层，因此表4中相应的单元格是空白的。

<实施例19至20>

按与实施例1相似的方式制备基材，并通过PVD的方法在该基材上形成覆膜。

关于实施例19，在基材上形成了0.3μm的TiN层，并在该TiN层上形成了3.5μm的TiCN层。该TiN层在N₂气气氛下形成，其中在温度为700℃、压力为1Pa、电弧电流为150A且偏压为30V下开始沉积，然后温度逐渐降至450℃的最终温度(沉积时间：25分钟)。在由气体流速比CH₄/N₂为1/4的CH₄和N₂构成的气氛中、在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为150V(沉积时间：180分钟)下沉积TiCN层。

关于实施例20，在基材上形成了0.3μm的TiN层、在该TiN层上形成了2.5μm的TiCN层，并且在该TiCN层上形成了其他层，即2.5μm的TiN层。在N₂气气氛下形成了直接位于基材上的TiN层，其中在温度为700℃、压力为1Pa、电弧电流为150A且偏压为30V下开始沉积，然后温度逐渐降至450℃的最终温度(沉积时间：25分钟)。在由气体流速比CH₄/N₂为1/4的CH₄和N₂构成的气氛中、在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为150V(沉积时间：120分钟)的条件下沉积TiCN层。在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为50V(沉积时间：40分钟)的条件下沉积其他层，即TiN层。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布如表1所示，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

<实施例21至22>

关于实施例21，采用了陶瓷材料作为基材组成，并且使用了与实施例1类似的形状。对于该基材，使用了SiC，并且在与实施例1的硬质合金所用的条件相同的条件下制备基材。

关于实施例22，采用了立方氮化硼作为该基材的组成，并且使用了与实施例1类似的形状。基材为采用了TiC作为粘结剂的立方氮化硼，并且在与实施例1的硬质合金所用的条件相同的条件下制备。

然后，按与实施例19相似的方式，通过物理气相沉积的方法在上述各基材上形成覆膜。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布如表1所示，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

<比较例1至2>

按与实施例1相似的方式制备了基材。通过CVD的方法在该基材上形成如下所述的覆膜(应该注意到，该覆膜的结构中并未直接在基材上形成TiN层)。

关于比较例1，在基材上形成3.5μm的TiAlN层，并且在该TiAlN层上形成2.5μm的TiCN层。该TiAlN层在以下条件下形成：压力为13hPa、温度为800℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、AlCl₃气流速为1.5L/分钟、NH₃气流速为4L/分钟、N₂气流速为12L/分钟、H₂气流速为12L/分钟且沉积时间为120分钟。该TiCN层在以下条件下通过沉积180分钟而形成：压力为60hPa、H₂气流速为70L/分钟、N₂气流速为50L/分钟、TiCl₄气流速为10L/分钟、CH₃CN气流速为1.5L/分钟且温度为840℃.

关于比较例2，在基材上形成3.5μm的TiBN层。该TiBN层在以下条件下形成：压力为67hPa、温度为980℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、BCl₃气流速为0.5L/分钟、N₂气流速为1L/分钟、H₂气流速为40L/分钟且沉积时间为300分钟。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式鉴定了覆膜的结构。结果确认了没有直接形成于基材上的TiN层(见表2)。

<比较例3至6>

按与实施例1的表面被覆切削工具相似的方式制备了比较例3至6的表面被覆切削工具。

与实施例1不同的是，将条件改变如下。

具体而言，关于比较例3和4，在未进行高压升温步骤和低压升温步骤的情况下制备基材。而是通过与常规步骤相似的升温步骤(压力：800hPa、H₂气体流速：10L/分钟、Ar气体流速：10L/分钟、温度：850℃、升温时间：60分钟)来制备基材。按与实施例1相似的条件形成TiN层，不同之处在于，温度为850℃的恒温。按与实施例1相似的方式形成TiCN层(不同之处在于，比较例3中的沉积时间为150分钟)。

关于比较例5，按与实施例1相似的方式制备基材。通过在以下条件下沉积30分钟来形成TiN层：压力为70hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为60L/分钟、TiCl₄气流速为10L/分钟，且温度为860℃的恒温。通过在以下条件下沉积120分钟来形成TiCN层：压力为60hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为50L/分钟、TiCl₄气流速为10L/分钟、CH₃CN气流速为2L/分钟且温度为860℃。

关于比较例6，按与实施例1相似的方式制备表面被覆切削工具，不同之处在于：形成该TiN层的沉积起始温度为900℃且沉积结束温度为880℃。

[表1]

[表2]

在表1中，“at％”代表原子％、TiN层中C的浓度分布中的“差”是指浓度分布中C的最大浓度与最小浓度之差、“最大浓度”是指浓度分布中C的最大浓度，“极小点”栏中的“有”是指表现出了这样的分布，其中在自基材起的方向上C的浓度降低，然后达到极小点，其后在朝向该覆膜表面的方向增加(即，存在这样的极小点)，并且此栏中“无”是指没有这样的最小值，并且在由基材向覆膜表面的方向上C的浓度连续降低。无论“极小点”栏的单元格中标有“有”或“无”，TiN层在厚度方向上均具有C的浓度分布，并且该分布仍然包括这样的区域，其中在自基材起并朝向覆膜表面的方向上，C的浓度降低。

表2中的表述基本与表1中的表述含义相似。然而，关于比较例3和4，虽然在基材上直接形成了TiN层，但该TiN层不含C。关于比较例5，虽然在基材上直接形成了TiN层并且该TiN层含有C，但该C不具有浓度分布(即，该C的浓度在厚度方向上恒定)。关于比较例6，虽然在基材上直接形成了TiN层且该TiN层具有C的浓度分布，但在其浓度分布中，在由基材向覆膜表面的方向上C的浓度连续升高。

<评价>

对于均按上述方式制备的实施例和比较例的表面被覆切削工具(铣削用可转位刀片和车削用可转位刀片)，进行如下所述的两种不同类型的切削测试从而进行评价。其结果示于下表3。

<切削测试1：铣削中耐磨性的评价>

将铣削用可转位刀片用作表面被覆切削工具，在以下切削条件下进行切削：待切削工件为SCM435(长300mm×宽200mm的块体)、切削速度为300m/分钟、进给速度为0.25mm/t、切口为1.5mm、无切削油，从而评价铣削中的耐磨性。在切削进行15分钟时，测量后刀面的平均磨损宽度Vb(mm)。平均磨损宽度Vb较小的刀片耐磨性较高。

<切削测试2：车削中耐磨性的评价>

将车削用可转位刀片用作表面被覆切削工具，在以下切削条件下进行切削：待切削工件为SCM415(直径350mm×长500mm)、切削速度为200m/分钟、进给速度为0.3mm/t、切口为1.5mm、使用水溶性切削液作为切削油，从而评价车削中的耐磨性。在切削进行30分钟时，测量后刀面的平均磨损宽度Vb(mm)。平均磨损宽度Vb较小的刀片耐磨性较高。

[表3]

由表3可以清楚地看出，经证实与比较例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具具有更高的耐磨性，并且工具寿命显著提高。从而确认了本发明的表面被覆切削工具可很好地适用于高速加工。很明显，其原因是本发明的表面被覆切削工具具有本发明的特性，从而在基材与覆膜之间具有更高的接着性。

<实施例101>

将组成为2.0质量％的TaC、10.0质量％的Co以及余量的WC(应该注意到，该组成中包含不可避免的杂质)的原料粉末充分混合并随后压制成形为所需形状，并烧结。关于其形状，制备了两种形状，即形状为“SDKN42MT”(由Sumitomo Electric Hardmetal公司制造)的铣削用可转位刀片以及形状为“CNMG120408N-GU”(由Sumitomo Electric Hardmetal公司制造)的车削用可转位刀片。

接着，将经过如上所述压制成形的基材前体设置在CVD炉中，并在以下条件下保持100分钟：大气压(1013hPa)、H₂气流速为2L/分钟、Ar气流速为2L/分钟、以及910℃(高压升温步骤)。

接着，将经过高压升温步骤并且仍设置在该CVD炉中的该基材前体在以下条件下保持20分钟：压力为48hPa、H₂气流速为30L/分钟、N₂气流速为25L/分钟、以及910℃(低压升温步骤)。

这样，制备了用于切削工具的硬质合金制基材(具有两种不同的形状)。接下来，在各基材仍设置在CVD炉中的同时，通过CVD的方法在各基材上形成TiN层。具体而言，在以下条件下开始沉积：压力为48hPa、H₂气流速为35L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、TiCl₄气流速为2L/分钟、以及900℃的温度。此后，该温度逐渐降至860℃的最终温度。沉积时间为30分钟。从而，在各基材上形成0.3μm的TiN层(见表4)。

接下来，通过CVD的方法在由此形成的TiN层上形成TiCN层。具体而言，在压力为48hPa、H₂气流速为90L/分钟、N₂气流速为30L/分钟、TiCl₄气流速为5L/分钟、CH₃CN气流速为0.8L/分钟、以及温度为860℃的条件下，在173分钟内完成沉积，从而在TiN层上形成4.5μm的TiCN层(见表4)。

此后，通过CVD的方法在该TiCN层上依次形成其他层，即3.0μm的Al₂O₃层和0.5μm的TiN层。通过在以下条件下通过蒸发Al而形成Al₂O₃层：压力为67hPa、温度为980℃、H₂气流速为40L/分钟、CO₂气流速为2L/分钟、HCl气流速为2L/分钟(沉积时间：220分钟)。该TiN层在以下条件下形成：压力为67hPa、温度为980℃、H₂气流速为50L/分钟、N₂气流速为35L/分钟、TiCl₄气流速为4L/分钟、沉积时间为30分钟。

这样，制备了本发明第二方面的表面被覆切削工具。将各表面被覆切削工具沿包括前刀面的覆膜表面的法线以及后刀面的覆膜表面的法线的任意平面切割，利用透射电子显微镜(装置名称：“JEM-2100F”，由JEOL株式会社制造)，在加速电压为200kV的条件下通过EDS分析来测量所得截面。由此确认了在该基材上依次形成有0.3μm的TiN层、4.5μm的TiCN层、3.0μm的Al₂O₃层和0.5μm的TiN层，直接位于该基材上的TiN层具有如表4所示的C浓度分布和Co浓度分布、并且确认了TiCN层中C的最大浓度。通过用扫描电子显微镜(装置名称：“S-3400”，由Hitachi High-Technologies公司制造)观察上述横截面来确认各层的厚度。

<实施例102至117>、

按与实施例101中的表面被覆切削工具相似的方式制造实施例102至117中的表面被覆切削工具。

与实施例101不同的是，按以下所示的相应范围调节用于制造基材的高压升温步骤以及低压升温步骤的条件、形成TiN层的条件、以及形成TiCN层的条件。

具体而言，在以下范围内调节高压升温步骤的条件：压力为800hPa至大气压(1013hPa)、H₂气流速为0.5L/分钟至5L/分钟、Ar气流速0.5L/分钟至5L/分钟(H₂气和Ar气总流速为0.5L/分钟至5L/分钟)、以及温度为900℃至1000℃、保持时间为60至180分钟。

在以下范围内调节低压升温步骤的条件：压力为10hPa至50hPa、H₂气流速为10L/分钟至50L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至50L/分钟(H₂气和N₂气总流速为10L/分钟至50L/分钟)、以及温度为900℃至1000℃、保持时间为15至30分钟。

在以下范围内调节形成TiN层的条件。在以下条件下开始沉积：压力为40hPa至100hPa、H₂气流速为15hPa至40L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至30L/分钟、TiCl₄气流速为1L/分钟至5L/分钟且温度为900℃至1000℃，然后温度逐渐降至840℃至860℃的最终温度，并且该沉积在20至60分钟内完成。

在以下范围内调节形成TiCN层的条件：压力为40hPa至100hPa、H₂气流速为50L/分钟至100L/分钟、N₂气流速为10L/分钟至40L/分钟、TiCl₄气流速为1L/分钟至6L/分钟、CH₃CN气流速为0.2L/分钟至1.0L/分钟、温度为800℃至870℃且沉积时间为100至200分钟。

关于实施例113，上述条件如下：压力为50hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为60L/分钟、TiCl₄气流速为8L/分钟、CH₃CN气流速为1.2L/分钟、温度为870℃且沉积时间为180分钟。因此，没有产生极小点。

在与实施例101相同的条件下制备其他层。对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例101相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布和Co的浓度分布如表4所示，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

<实施例118至119>

在与实施例101相似的条件下制备基材和TiN层。此后，形成其他层而不形成TiCN层。

实施例118中的其他层依次为通过CVD的方法形成的3.5μm的ZrN层和2.5μm的TiN层，并且实施例119中的其他层依次为通过CVD的方法形成的3.5μm的TiAlN层和2.5μm的TiSiCN层。

关于上述指定的其他层，ZrN层在以下条件下形成：压力为160hPa、温度为1000℃、ZrCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为20L/分钟、H₂气流速为55L/分钟且沉积时间为300分钟；TiN层在以下条件下形成：压力为133hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、H₂气流速为30L/分钟且沉积时间为210分钟；TiAlN层在以下条件下形成：压力为13hPa、温度为800℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、AlCl₃气流速为1.5L/分钟、NH₃气流速为4L/分钟、N₂气流速为12L/分钟、H₂气流速为12L/分钟且沉积时间为120分钟；并且TiSiCN层在以下条件下形成：压力为40hPa、温度为830℃、TiCl₄气流速为2.5L/分钟、SiCl₄气流速为0.5L/分钟、NH₃气流速为5L/分钟、C₂H₄气流速为5.5L/分钟、N₂气流速为2L/分钟、H₂气流速为50L/分钟且沉积时间为60分钟。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例101相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布和Co的浓度分布如表4所示。关于实施例118和119，未在TiN层上形成TiCN层，因此表4中相应的单元格是空白的。

<实施例120至121>

按与实施例101相似的方式制备基材，并通过PVD的方法在该基材上形成覆膜。

关于实施例120，在基材上形成0.3μm的TiN层，并在该TiN层上形成3.5μm的TiCN层。该TiN层在N₂气气氛下形成，其中在温度为700℃、压力为1Pa、电弧电流为150A且偏压为50V的条件下开始沉积，然后温度逐渐降至450℃的最终温度(沉积时间：25分钟)。在由气体流速比CH₄/N₂为1/4的CH₄和N₂构成的气氛中、在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为150V(沉积时间：180分钟)下沉积TiCN层。

关于实施例121，在基材上形成了0.3μm的TiN层、在该TiN层上形成了2.5μm的TiCN层，并且在该TiCN层上形成了其他层，即2.5μm的TiN层。在N₂气气氛下形成了直接位于基材上的TiN层，其中在温度为700℃、压力为1Pa、电弧电流为150A且偏压为30V下开始沉积，然后温度逐渐降至450℃的最终温度(沉积时间：25分钟)。在由气体流速比CH₄/N₂为1/4的CH₄和N₂构成的气氛中、在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为150V(沉积时间：120分钟)的条件下沉积TiCN层。在温度为450℃、压力为2Pa、电弧电流为150A且偏压为50V(沉积时间：40分钟)的条件下沉积其他层，即TiN层。

对于如此制备的表面被覆切削工具，按与实施例101相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层的C的浓度分布和Co的浓度分布如表4所示，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

<比较例101至102>

按与实施例101相似的方式制备了基材。通过CVD的方法在该基材上形成如下所述的覆膜(应该注意到，在该覆膜的结构中，未直接在该基材上形成TiN层)。

关于比较例101，在基材上形成3.5μm的TiAlN层，并且在该TiAlN层上依次形成2.5μm的TiCNO层和0.5μm的TiN层。该TiAlN层在以下条件下形成：压力为13hPa、温度为800℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、AlCl₃气流速为1.5L/分钟、NH₃气流速为4L/分钟、N₂气流速为12L/分钟、H₂气流速为12L/分钟且沉积时间为120分钟。该TiCNO层在以下条件下通过沉积240分钟形成：压力为90hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为0.5L/分钟、N₂气流速为10L/分钟、CO气流速为0.5L/分钟、H₂气流速为20L/分钟。该TiN层在以下条件下形成：压力为133hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、H₂气流速为30L/分钟、沉积时间为40分钟。

关于比较例102，在基材上形成3.5μm的TiBN层，并且在该TiBN层上依次形成1.5μm的TiB₂层和0.3μm的TiN层。该TiBN层在以下条件下形成：压力为67hPa、温度为980℃、TiCl₄气流速为1L/分钟、BCl₃气流速为0.5L/分钟、N₂气流速为1L/分钟、H₂气流速为40L/分钟且沉积时间为300分钟。该TiB₂层在以下条件下形成：压力为800hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为3L/分钟、BCl₃气流速为8L/分钟、H₂气流速为35L/分钟、沉积时间为60分钟。该TiN层在以下条件下形成：压力为133hPa、温度为900℃、TiCl₄气流速为5L/分钟、N₂气流速为18L/分钟、H₂气流速为30L/分钟、沉积时间为25分钟。

对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例101相似的方式鉴定了覆膜的结构。结果确认了没有直接形成于基材上的TiN层(见表5)。

<比较例103至107>

按与实施例101的表面被覆切削工具相似的方式制备了比较例103至107的表面被覆切削工具(见表5)。

与实施例101不同的是，将条件改变如下。

具体而言，关于比较例103和104，在没有进行高压升温步骤和低压升温步骤的情况下制备基材。而是通过与常规步骤相似的升温步骤(压力：800hPa、H₂气体流速：10L/分钟、Ar气体流速：10L/分钟、温度：850℃、升温时间：60分钟)来制备基材。按与实施例101相似的方式形成TiN层，不同之处在于，温度为850℃的恒温。按与实施例101相似的方式形成TiCN层(不同之处在于，比较例104中的沉积时间为200分钟)。

关于比较例105，按与实施例101相似的方式制备基材。通过在以下条件下沉积30分钟从而形成TiN层：压力为70hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为60L/分钟、TiCl₄气流速为10L/分钟，且温度为800℃的恒温。通过在以下条件下沉积120分钟来形成TiCN层：压力为60hPa、H₂气流速为60L/分钟、N₂气流速为50L/分钟、TiCl₄气流速为10L/分钟、CH₃CN气流速为2L/分钟且温度为860℃。

关于比较例106，按与实施例101相似的方式制备表面被覆切削工具，不同之处在于形成TiN层的沉积起始温度为900℃且沉积结束温度为880℃。

关于比较例107，按与实施例101相似的方式制备表面被覆切削工具，不同之处在于，形成该TiN层的沉积温度为950℃的恒温。

按与实施例101相同的条件制备其他层。对于由此制备的表面被覆切削工具，按与实施例1相似的方式确认了直接位于基材上的TiN层具有C的浓度分布和Co的浓度分布，并且确认了TiCN层中的C的最大浓度。

在表4中，“at％”代表原子％、TiN层中C的浓度分布中的“差”是指浓度分布中C的最大浓度与最小浓度之差、“最大浓度”是指浓度分布中C的最大浓度，“极小点”栏中的“有”是指表现出了这样的分布，其中在自基材起的方向上C的浓度降低，然后达到极小点，其后在朝向该覆膜表面的方向增加(即，存在这样的极小点)，并且此栏中“无”是指没有这样的最小值，并且在由基材向覆膜表面的方向上C的浓度连续降低。无论“极小点”栏的单元格中标有“有”或“无”，TiN层在厚度方向上均具有C的浓度分布，并且该分布仍然包括这样的区域，其中在自基材起并朝向覆膜表面的方向上，C的浓度降低。

此外，在表4中，关于TiN层中Co的浓度分布，“最大浓度”是指浓度分布中Co的最大浓度，“分布”栏中的“减少”是指在Co的浓度分布中，在由基材至覆膜表面的方向上Co的浓度连续减少，“分布”栏中的“恒定”是指在由基材至覆膜表面的方向上，Co的浓度恒定。“C/Co”代表以原子比计C相比于Co的倍数，“C/Co”的数值是各TiN层的倍数中的最小值。

表5中的表述基本与表4中的表述含义相似。应当注意到，关于比较例103和104，虽然TiN层直接形成于基材上，但TiN层不含C和Co。关于比较例105，虽然TiN层直接形成于基材上且TiN层含有C和Co，但是C不具有浓度分布(即，C浓度在厚度方向上恒定)(在由基材至覆膜表面的方向上Co的浓度降低)。关于比较例106，虽然TiN层直接形成于基材上且TiN层分别具有C和Co的浓度分布，但在浓度分布中，C的浓度在由基材至覆膜表面的方向上连续升高(在由基材至覆膜表面的方向上Co的浓度降低)。关于比较例107，虽然TiN层直接形成于基材上且TiN层含有C和Co，但C和Co不具有浓度分布(即，在厚度方向上C和Co各自的浓度恒定)。

<评价>

对于均按上述方式制备的实施例和比较例的表面被覆切削工具(铣削用可转位刀片和车削用可转位刀片)，进行如下所述的两种不同类型的切削测试从而进行评价。其结果示于下表6和7。

<切削测试101：铣削中耐磨性的评价>

将铣削用可转位刀片用作表面被覆切削工具，在以下切削条件下进行切削：待切削工件为SCM435(长300mm×宽200mm的块体)、切削速度为300m/分钟、进给速度为0.25mm/t、切口为1.5mm、无切削油，从而评价铣削中的耐磨性。在切削进行15分钟时，测量后刀面的平均磨损宽度Vb(mm)。平均磨损宽度Vb较小的刀片耐磨性较高。

<切削测试102：车削中耐磨性的评价>

将车削用可转位刀片用作表面被覆切削工具，在以下切削条件下进行切削：待切削工件为SCM415(直径350mm×长500mm)、切削速度为200m/分钟、进给速度为0.3mm/t、切口为1.5mm、使用水溶性切削液作为切削油，从而评价车削中的耐磨性。在切削进行30分钟时，测量后刀面的平均磨损宽度Vb(mm)。平均磨损宽度Vb较小的刀片耐磨性较高。

[表6]

[表7]

由表6和7可以清楚地看出，经证实与比较例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具具有更高的耐磨性，并且工具寿命显著提高。从而确认了本发明的表面被覆切削工具可很好地适用于高速加工。很明显，其原因是本发明的表面被覆切削工具具有本发明的特性，从而在基材与覆膜之间具有更高的接着性。

虽然本文已对实施方案和实施例进行了说明，但其本意旨在将上述实施方案与实施例的特性进行适当组合。

应当理解的是，本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是示例性的而非限制性的。本发明的范围旨在由权利要求书的权项、而不是以上说明来限定，并且涵盖与权利要求书等同的含义与范围内的任何变形和修改。

Claims (18)

1.一种表面被覆切削工具，包括基材和形成于所述基材上的覆膜，

所述覆膜包括一层或两层或更多层，

所述层中与所述基材邻接的层为TiN层，

所述TiN层包含C以及TiN，

所述C在所述TiN层的厚度方向上具有浓度分布，并且

所述浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上，所述C的浓度降低。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述浓度分布中所述C的最大浓度和最小浓度之差为10原子％以上。

3.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述C的最大浓度为30原子％以下。

4.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述浓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的浓度降低，之后达到极小点，此后在朝向所述覆膜的表面的方向上所述C的浓度增加。

5.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN层的厚度为0.1μm至0.5μm。

6.根据权利要求1或2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层上的TiCN层，

所述TiCN层包含TiCN，并且

所述TiCN层中的C的最大浓度为20原子％以上。

7.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中，

所述覆膜还包括其他层，并且

所述其他层为由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素所构成的化合物制成的一层或多层。

8.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜通过化学气相沉积形成。

9.根据权利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述基材为硬质合金。

10.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中

所述基材由硬质合金制成，

所述TiN层包含C、Co和TiN，

所述C和所述Co各自在所述TiN层的厚度方向上具有浓度分布，

所述C的浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上，所述C的浓度降低，并且

所述Co的浓度分布包括以下区域：在该区域中，在由所述基材至所述覆膜的表面的方向上，所述Co的浓度降低。

11.根据权利要求10所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN层中同一位置的所述C与所述Co的原子比为：所述C为所述Co的两倍或更高。

12.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中在所述C的浓度分布中，所述C的最大浓度和最小浓度之差为10原子％以上。

13.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中

所述C的最大浓度为30原子％以下，并且

所述Co的最大浓度为5原子％以下。

14.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中

所述C的浓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的浓度降低，之后达到极小点，此后在朝向所述覆膜的表面的方向上所述C的浓度增加，并且

所述Co的浓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的浓度降低。

15.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中所述TiN层的厚度为0.1μm至0.5μm。

16.根据权利要求10或11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层上的TiCN层，

所述TiCN层包含TiCN，并且

所述TiCN层中的C的最大浓度为20原子％以上。

17.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中

所述覆膜还包括其他层，并且

所述其他层为由选自由元素周期表中的4族元素、5族元素和6族元素、Al和Si构成的组中的至少一种元素与选自由硼、碳、氮和氧构成的组中的至少一种元素所构成的化合物制成的一层或多层。

18.根据权利要求10或11所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜通过化学气相沉积形成。