專利名稱：表面被覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有基材以及在該基材上所形成的覆膜的表面被覆切削工具。
背景技術(shù)：
作為切削工具的最近趨勢(shì)，由于以下原因，工具的切削刃溫度有變得越來越高的趨勢(shì)，這些原因包括從地球環(huán)境保護(hù)的角度考慮需要不使用切削潤(rùn)滑劑的干式加工、工件的多樣化、以及為了進(jìn)一步提高加工效率而提高切削速度。因此，工具材料所要求的特性變得更嚴(yán)格。特別是，作為工具材料所要求的特性，不僅在基材上所形成的覆膜具有耐熱性是當(dāng)然的事情，而且與切削工具壽命相關(guān)的耐磨性的提高以及代替潤(rùn)滑劑的覆膜潤(rùn)滑性能也已經(jīng)變得越來越重要。為了提高覆膜的散熱性、潤(rùn)滑性以及抗破碎性，已知的是，在由諸如WC基硬質(zhì)合金、金屬陶瓷或高速鋼等硬質(zhì)基材形成的切削工具的表面上形成AlN覆膜的技術(shù)。AlN具有高導(dǎo)熱性，因而可提高覆膜的散熱性且不會(huì)將熱限制在AlN覆膜自身中。另外，AlN的特征在于潤(rùn)滑性高并且硬度低。該特征使得AlN具有防止工具異常磨損和提高抗破碎性的優(yōu)點(diǎn)。在使得切削工具同時(shí)具有高水平的潤(rùn)滑性和抗破碎性方面，具有這樣的多種優(yōu)點(diǎn)的AlN是必需材料，這樣說并不言過。因此，一直以來AlN以多種方式被使用。例如，專利文獻(xiàn)1披露了一種將六方晶體狀態(tài)的AlN用于最外表面的技術(shù)。專利文獻(xiàn)2披露了一種通過物理氣相沉積法形成含有鋁和選自氮、氧和碳組成的組中的一種或多種元素的化合物層的技術(shù)。類似地，專利文獻(xiàn)3也披露了一種將AlN用于覆膜表面的技術(shù)。這樣，通過在最外表面形成AlN覆膜，可以提高該表面的散熱性、潤(rùn)滑性和抗破碎性。然而，專利文獻(xiàn)1至3中所披露的所有AlN覆膜均引起工具基材的熱破裂，這是因?yàn)锳lN具有高的熱浸透率，由此這些覆膜迅速地將切削期間所生成的熱(如果有底層的話則通過底層)轉(zhuǎn)移到工具基材。這導(dǎo)致了工具壽命短的問題。另外，專利文獻(xiàn)1至3中所披露的所有AlN覆膜均不具有充分的潤(rùn)滑效果，這是因?yàn)樗鼈儾痪哂谐浞值挠捕?，由此覆膜快速磨損。另外，作為進(jìn)一步提高潤(rùn)滑性的嘗試，專利文獻(xiàn)4披露了一種向AlN最外覆膜中加入氯以提高覆膜最外表面的潤(rùn)滑性的技術(shù)。另外，專利文獻(xiàn)5披露了一種在覆膜的基材側(cè)形成TiCN層和TiCNO層，同時(shí)在覆膜的最外側(cè)形成耐熱性高的Al2O3層和潤(rùn)滑性高的AlN 層，由此提高覆膜表面的熱絕緣性和潤(rùn)滑性的技術(shù)。引用文獻(xiàn)列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2005-271133專利文獻(xiàn)2 日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2005-297143專利文獻(xiàn)3 日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2006-026783專利文獻(xiàn)4 日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2005-297142
專利文獻(xiàn)5 日本未審查專利申請(qǐng)公開No. 2003-039210發(fā)明概述本發(fā)明要解決的技術(shù)問題然而，專利文獻(xiàn)4和專利文獻(xiàn)5中的技術(shù)均不能解決覆膜表面硬度低的問題，覆膜的最外表面由于磨損而容易快速消失。因此，一直以來采用的是通過在覆膜的表面?zhèn)刃纬葾lN層來提高覆膜表面潤(rùn)滑性的技術(shù)。另外，雖然期望通過在覆膜最外側(cè)形成AlN層以利用該AlN層的潤(rùn)滑作用來提高耐磨性，然而現(xiàn)狀是，尚未提供能夠充分發(fā)揮該效果的表面被覆切削工具。鑒于上述現(xiàn)狀進(jìn)行本發(fā)明，本發(fā)明的目的是通過在基材上以優(yōu)異的粘附性形成含有鋁和氮并且熱浸透率低且硬度高的第一覆膜層，來提供兼具優(yōu)異的耐熱性、優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的潤(rùn)滑性的表面被覆切削工具。解決問題的方案本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在該基材上形成的覆膜，所述覆膜的特征在于，該覆膜通過物理氣相沉積法形成并且包含一層或多層，所述一層或多層中的至少一層為第一覆膜層，所述第一覆膜層含有鋁和氮，其熱浸透率為2，000J · sec"1 · πΓ1 · Γ1至 5，000J · sec"1 · πΓ1 · Γ1,并且厚度為0. 2 μ m至5 μ m，所述第一覆膜層從所述基材側(cè)起依次包括非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域，所述非晶態(tài)區(qū)域?yàn)榉蔷B(tài)并具有0. 01 μ m至2 μ m的厚度， 并且所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域具有含有六方晶結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域的硬度優(yōu)選為2，500mgf/μ m2至3，800mgf/μ m2。所述第一覆膜層優(yōu)選具有-IGPa至OGPa的殘余應(yīng)力，并優(yōu)選通過濺射法形成。所述第一覆膜層優(yōu)選由AlhMexNO). 001 ^ χ ^ 0. 2)形成，其中Me是選自由釩、 鉻、釔、鈮、鉿、鉭、硼和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素。所述覆膜除了所述第一覆膜層之外優(yōu)選還包括一層或多層第二覆膜層，并且所述第二覆膜層優(yōu)選由選自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、鋁和硅所構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成，或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼所構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。所述一層或多層第二覆膜層優(yōu)選由選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成，或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。所述第二覆膜層優(yōu)選具有超多層結(jié)構(gòu)，該超多層結(jié)構(gòu)包括周期疊加的厚度為Inm 至IOOnm的薄膜層，所述薄膜層優(yōu)選由選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成；或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。所述基材優(yōu)選由硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、高速鋼、陶瓷或金剛石燒結(jié)體形成。本發(fā)明的有益效果由于具有上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的表面被覆切削工具具有第一覆膜層的粘附性高這樣的優(yōu)點(diǎn)，并且還具有兼具優(yōu)異的耐熱性、優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的潤(rùn)滑性的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
表面被覆切削工具 本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在其上形成的覆膜。由于具有這種基本結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的表面被覆切削工具可非常有利地用作(例如)鉆頭、端銑刀、銑削或車削用可轉(zhuǎn)位刀片、金工鋸、齒輪切削工具、鉸刀、螺絲攻、或曲軸針銑用刀片。本發(fā)明的表面被覆切削工具的特征在于，所述覆膜不易于剝離，尤其是當(dāng)將該工具用于切削諸如不銹鋼、鉻鎳鐵合金(Inconel)或鈦等難以切削的材料時(shí)。< 基材 >作為本發(fā)明表面被覆切削工具的基材，可使用任意已知的作為這些切削工具的基材的基材。這些基材的例子包括硬質(zhì)合金(如WC基硬質(zhì)合金(其除了 WC之外還含有鈷)， 包括進(jìn)一步含有(例如)鈦、鉭或鈮的碳氮化物的那些)、金屬陶瓷(主要包含(例如)TiC、 TiN或TiCN)、高速鋼、陶瓷(如碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁及其混合物)、立方氮化硼燒結(jié)體以及金剛石燒結(jié)體。如果將硬質(zhì)合金用作基材，則即使硬質(zhì)合金在其結(jié)構(gòu)中具有游離的碳或所謂η 相的異常相，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)仍會(huì)表現(xiàn)出來。還可以對(duì)基材的表面進(jìn)行改性。例如，如果使用硬質(zhì)合金，則在其表面中可形成脫β層；或者，如果使用金屬陶瓷，則其中可形成表面硬化層；因此，即使對(duì)表面進(jìn)行改性，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)仍可以表現(xiàn)出來。< 覆膜 >本發(fā)明的覆膜通過物理氣相沉積形成。該覆膜包含一層或多層，所述一層或多層中的至少一層為第一覆膜層。所述第一覆膜層含有鋁和氮，具有2，000J · sec"1 .m-1 - Γ1至 5，000J · sec"1 · πΓ1 · Γ1的熱浸透率，并且從基材側(cè)依次包括非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域。所述非晶態(tài)區(qū)域?yàn)榉蔷B(tài)的，并具有0. 01 μ m至2 μ m的厚度。所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域的特征在于其具有含有六方晶結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。這里，可形成本發(fā)明的覆膜使得該覆膜覆蓋基材的整個(gè)表面、或使得缺少部分覆膜、或使得覆膜的一部分以不同的方式形成。本發(fā)明的覆膜的總厚度優(yōu)選為1 μ m至30 μ m。如果覆膜厚度低于1 μ m,則覆膜可能耐磨性差，而如果厚度超過30 μ m,則覆膜可能在其中殘余的壓應(yīng)力作用下而自我損壞。 覆膜的優(yōu)選厚度為2 μ m至20 μ m。本發(fā)明的覆膜通過物理氣相沉積法(PVD)形成。在本發(fā)明中采用物理氣相沉積法的理由是形成具有致密結(jié)構(gòu)的覆膜來作為在基材表面上形成的覆膜，這是必不可少的。對(duì)各種沉積工藝進(jìn)行的研究表明通過物理氣相沉積法形成的覆膜是最適合的。下面將對(duì)構(gòu)成本發(fā)明覆膜的各個(gè)層進(jìn)行詳細(xì)描述。〈第一覆膜層〉本發(fā)明的覆膜中所包含的第一覆膜層含有鋁和氮。所述第一覆膜層的特征在于其具有2，000J · sec—1 · m—1 · K-1至5，000J · sec—1 · m—1 · K-1的熱浸透率。含有鋁和氮的已知覆膜在潤(rùn)滑性方面是優(yōu)異的；然而，它們具有下述問題其高熱浸透率往往使得其他層和基材被加熱至高溫，從而由于熱損傷導(dǎo)致工具壽命縮短?？朔撕袖X和氮的已知覆膜的缺點(diǎn)的本發(fā)明的第一覆膜層可提高含有鋁和氮的已知覆膜的熱絕緣性而不降低其潤(rùn)滑性，從而防止工具本身被加熱至高溫。
具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的第一覆膜層包括具有優(yōu)異的耐磨性這一優(yōu)點(diǎn)的結(jié)晶態(tài)區(qū)域以及在其下面形成的非晶態(tài)區(qū)域。這改善了結(jié)晶態(tài)區(qū)域和基材(或者在基材上的中間層(如果有的話))之間的相容性，從而有效地防止覆膜剝離，由此提供顯著優(yōu)異的耐磨性。如果形成了熱浸透率落入上述數(shù)值范圍內(nèi)的第一覆膜層，則其可抑制在切削期間所生成的熱轉(zhuǎn)移至工具基材，從而延長(zhǎng)了工具壽命。第一覆膜層的熱浸透率優(yōu)選為小于或等于 3，500J · sec—1 · πΓ1 · Γ1，更優(yōu)選為小于或等于 3，000J · sec—1 · πΓ1 · Γ1。如果第一覆膜層的熱浸透率低于2，000J · sec"1 · πΓ1 · Γ1，則其將過量的熱限制于其表面?zhèn)壬希瑥亩鹬T如AlN晶體本身變形且硬度降低之類的問題。超過 5, 000J · sec^.m^.r1的熱浸透率是不期望的，這是因?yàn)榛牟荒芘c切削期間所生成的熱絕緣，因此被加熱至高溫，從而會(huì)發(fā)生變形或熱破裂。這里，用作第一覆膜層的熱浸透率的值為根據(jù)熱反射法測(cè)得的值。本發(fā)明的第一覆膜層的特征在于，其總厚度為0. 2 μ m至5 μ m。如果第一覆膜層的厚度低于0. 2 μ m，則第一覆膜層可能具有差的耐熱性。如果厚度超過5 μ m，則第一覆膜層可能在其中殘余的壓應(yīng)力作用下而自我損壞。第一覆膜層的優(yōu)選厚度為0. 5 μ m至2 μ m。另外，第一覆膜層的特征在于，其從基材側(cè)依次包括非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域，特別是，非晶態(tài)的非晶態(tài)區(qū)域的厚度為0. 01 μ m至2 μ m。如果在第一覆膜層的基材側(cè)上形成具有上述厚度的非晶態(tài)區(qū)域，則可以改善基材和覆膜之間的粘附性并降低第一覆膜層的熱浸透率。這里，非晶態(tài)區(qū)域優(yōu)選具有0. 1 μ m至1 μ m的厚度，更優(yōu)選0. 2 μ m至0. 5 μ m的厚度。若非晶態(tài)區(qū)域的厚度低于0. 01 μ m，則不能確保基材和覆膜之間充分的粘附性，而若非晶態(tài)區(qū)域的厚度超過2 μ m,則覆膜硬度往往降低，因此耐磨性往往降低。另一方面，結(jié)晶態(tài)區(qū)域形成在第一覆膜層的表面?zhèn)?與基材側(cè)相對(duì))，并且其特征在于，其具有六方晶結(jié)構(gòu)。若在第一覆膜層的表面?zhèn)刃纬山Y(jié)晶態(tài)區(qū)域，則可改善整個(gè)工具的耐熱性。因此，可改善表面被覆切削工具的耐磨性。六方晶結(jié)構(gòu)可通過在X射線衍射(XRD) 測(cè)定中發(fā)現(xiàn)歸屬于六方AlN面的峰來得以確認(rèn)。結(jié)晶態(tài)區(qū)域優(yōu)選具有2，500mgf/μ m2至3，SOOmgf/μ m2的硬度。如果在第一覆膜層的表面?zhèn)刃纬闪司哂羞@種高硬度的結(jié)晶態(tài)區(qū)域，則可改善表面被覆切削工具的耐磨性。結(jié)晶態(tài)區(qū)域更優(yōu)選具有3，200mgf/μ m2至3，600mgf/μ m2的硬度。如果結(jié)晶態(tài)區(qū)域的硬度低于2，500mgf/ym2，則由于覆膜表面的硬度不充分，覆膜往往易于磨損。如果結(jié)晶態(tài)區(qū)域的硬度超過3，SOOmgf/μ m2，則由于覆膜的潤(rùn)滑性降低，覆膜往往易于磨損。如本文所用，“硬度”是指壓痕硬度，使用由納米壓痕儀(Elionix株式會(huì)社制)測(cè)得的值。<殘余應(yīng)力>第一覆膜層優(yōu)選具有-Kffa至OGPa的殘余應(yīng)力。在該殘余應(yīng)力下，在具有優(yōu)異的耐破裂性的同時(shí)，第一覆膜層可有效地表現(xiàn)出在其形成期間或在切削期間不會(huì)破損的性質(zhì)。因此，如果整個(gè)第一覆膜層的殘余應(yīng)力為小的壓縮殘余應(yīng)力，則其改善了覆膜的耐剝離性。另外，提高了對(duì)由沖擊導(dǎo)致的破損的耐性。這增強(qiáng)了延長(zhǎng)工具壽命的效果。整個(gè)第一覆膜層的殘余應(yīng)力更優(yōu)選為-0. SGPa至-0. 2GPa。
如果第一覆膜層的殘余應(yīng)力低于-lGPa，則第一覆膜層往往受到壓縮破壞，而如果第一覆膜層的殘余應(yīng)力超過OGPa，則覆膜往往在受到?jīng)_擊時(shí)破損。這里，殘余應(yīng)力的上述數(shù)值范圍是指整個(gè)第一覆膜層的殘余應(yīng)力的平均值為-IGPa至OGPa。即使整個(gè)第一覆膜層的殘余應(yīng)力在某些位置處局部地偏離上述數(shù)值范圍，只要平均值落在該數(shù)值范圍內(nèi)，其仍可改善覆膜的耐剝離性和韌性。另外，“殘余應(yīng)力”是指整個(gè)覆膜的平均殘余應(yīng)力，其可通過如下所示的Sin2F法測(cè)得。使用X射線的sin2 Ψ法廣泛用作用于測(cè)量多晶材料的殘余應(yīng)力的方法。該測(cè)定方法在“X線応力測(cè)定法(X射線應(yīng)力測(cè)定方法)”(日本材料學(xué)會(huì)，由株式會(huì)社養(yǎng)賢堂出版，1981 年)的第M至66頁(yè)中有詳細(xì)描述。在本發(fā)明中，首先，通過將同傾法和側(cè)傾法組合來固定 X射線的侵入深度，并在包括待測(cè)定的應(yīng)力方向和在測(cè)定位置處的樣品表面法線的平面中， 沿多個(gè)Ψ方向測(cè)定衍射角2 θ以得到2 θ-Sin2v曲線圖，使用該曲線圖的斜率來確定直到上述深度(與覆膜表面的距離)的殘余應(yīng)力的平均值。更具體而言，X射線應(yīng)力測(cè)定方法包括將來自X射線源的X射線以預(yù)定角入射到樣品上，并通過X射線檢測(cè)器檢測(cè)由樣品所衍射的X射線，從而基于所檢測(cè)的值來測(cè)定內(nèi)部應(yīng)力，在該測(cè)定方法中，樣品(即，覆膜)的內(nèi)部殘余應(yīng)力可通過如下步驟測(cè)定使來自X射線源的X射線在樣品表面的任意位置處以任意預(yù)定角度入射，并在使樣品繞著ω軸旋轉(zhuǎn)并繞著X軸旋轉(zhuǎn)使得樣品表面與入射的X射線之間的角保持常數(shù)的同時(shí)，改變衍射面法線與樣品表面法線之間的角Ψ來測(cè)定衍射線，其中所述ω軸穿過樣品上的X射線照射點(diǎn)并垂直于樣品表面上的入射X射線，并且在使ω軸平行于樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)ω軸在χ軸上與入射 X射線一致。從X射線源的質(zhì)量(例如，高亮度、高平行性和波長(zhǎng)可調(diào)性)方面看，上述所用的 X射線源優(yōu)選為同步輻射(SR)。另外，需要覆膜的楊氏模量和泊桑比，以便從上述2 θ -sin2￥曲線圖確定殘余應(yīng)力。楊氏模量可使用(例如)動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試儀來測(cè)定。作為不會(huì)隨材料類型發(fā)生較大改變的泊桑比，可使用0.2左右的值。另一方面，如本文所用，壓應(yīng)力(壓縮殘余應(yīng)力)為在覆膜中存在的內(nèi)部應(yīng)力(固有張力)中的一種，并用負(fù)值(單位為GPa)來表示。另一方面，如本文所用，抗拉應(yīng)力(抗拉殘余應(yīng)力)也是在覆膜中存在的內(nèi)部應(yīng)力中的一種，并用正值(單位為GPa)來表示。因?yàn)閴簯?yīng)力和抗拉應(yīng)力均為在覆膜中殘余的內(nèi)部應(yīng)力，因此它們還總稱為殘余應(yīng)力(為了方便，包括OGPa)。殘余應(yīng)力落在上述范圍內(nèi)的第一覆膜層可這樣形成通過調(diào)節(jié)撞擊基材的原子或離子的動(dòng)態(tài)能量以在物理氣相沉積法中形成第一覆膜層。通常，動(dòng)態(tài)能越大，所得的壓縮殘余應(yīng)力的絕對(duì)值越大。物理氣相沉積的詳細(xì)內(nèi)容將在后面進(jìn)行描述?！雌渌氐奶砑印敌纬杀景l(fā)明第一覆膜層的化合物(即，含有鋁和氮的化合物)優(yōu)選含有選自由釩、鉻、釔、鈮、鉿、鉭、硼和硅構(gòu)成的組中的至少一種元素，并且相對(duì)于在該化合物中所含的金屬組分(即，鋁)的量，其比例優(yōu)選為0.1原子％至20原子％。即，第一覆膜層優(yōu)選由 Al1^xMexN (0. 001 ^ x^ 0. 2)形成，其中Me為選自由釩、鉻、釔、鈮、鉿、鉭、硼和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素。如果第一覆膜層包含這些其他元素，則它們使結(jié)晶態(tài)區(qū)域中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變以進(jìn)一步提高硬度，從而進(jìn)一步提高了耐磨性。另外，這些元素抑制了在切削期間覆膜中或者覆膜與基材之間的原子擴(kuò)散，以提高諸如耐氧化性之類的耐反應(yīng)性。如果使用含有期望量的這些其他元素的靶材作為第一覆膜層的原料來通過物理氣相沉積法形成第一覆膜層，則這些其他元素可被包含在形成所述層的化合物中。所述其他元素可以以填隙形式或取代形式被包含。<第二覆膜層>在本發(fā)明中，所述覆膜除上述第一覆膜層之外優(yōu)選還包括一層或多層第二覆膜層。第二覆膜層可以在基材和第一覆膜層之間形成為中間層，或者可在第一覆膜層的表面?zhèn)刃纬蔀樽钔鈱?。本發(fā)明的第二覆膜層優(yōu)選具有Iym至25 μπι的總厚度。如果第二覆膜層的厚度小于Iy m，則第二覆膜層可能具有差的耐磨性。如果厚度超過25 μ m，則在殘余于第二覆膜層中的壓應(yīng)力作用下覆膜可能會(huì)自我損壞。第二覆膜層的優(yōu)選厚度為1.8μπι至20μπι。這里，第二覆膜層優(yōu)選由選自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、Via族元素、 鋁和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成，或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。如果一同包含氮以及前述元素，則第二覆膜層具有優(yōu)異的韌性，并因此具有如下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)形成為厚膜時(shí)所述覆膜不易于破損。如果含有碳和氮，則它們可提高耐月牙洼磨損性。另外，優(yōu)選含有氧，因?yàn)檠跆峁﹥?yōu)異的抗氧化性和耐熔接性。如果第二覆膜層包含鋁和氮，則第二覆膜層具有基本上與第一覆膜層相同的組成，盡管第二覆膜層和第一覆膜層至少在晶體結(jié)構(gòu)方面不同，并且還可能在熱浸透率和厚度方面不同。上述第二覆膜層可具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。從賦予不同功能來看，優(yōu)選多層結(jié)構(gòu)，特別是，在多層結(jié)構(gòu)中，超多層結(jié)構(gòu)是更優(yōu)選的。這里，“多層結(jié)構(gòu)”是指包括兩層或更多層的多重層，“超多層結(jié)構(gòu)”是指將具有不同性質(zhì)和組成的厚度為幾納米至幾百納米的兩種或更多種類型的層疊加約100至10，000層得到的層疊體(通常是彼此上下交替或重復(fù)疊加)。所述一層或多層的第二覆膜層優(yōu)選由選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成，或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。第二覆膜層優(yōu)選具有超多層結(jié)構(gòu)，該超多層結(jié)構(gòu)包括周期疊加的厚度為Inm至 IOOnm的薄膜層。所述薄膜層更優(yōu)選由選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成，或者由一種或多種上述元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素形成的化合物形成。如果第二覆膜層具有超多層結(jié)構(gòu)，則因?yàn)槭褂貌煌陌胁牟⑶覍拥暮穸葹閹准{米數(shù)量級(jí)，因此沉積率較高。另外，可結(jié)合具有不同性質(zhì)和組成的層以提高膜性質(zhì)，包括覆膜的硬度、熱絕緣性、耐氧化性和韌性。<制備方法>作為用于形成本發(fā)明的覆膜的物理氣相沉積(PVD)法，可使用任何已知的物理氣相沉積法。使用能夠形成高度結(jié)晶的化合物以將本發(fā)明的覆膜沉積在基材表面上的沉積方法是必要的。對(duì)多種沉積方法進(jìn)行的研究已經(jīng)表明使用物理氣相沉積法是最合適的。物理氣相沉積法的例子包括濺射法、離子鍍法、電弧離子鍍法和電子/離子束沉積法；具體而言，優(yōu)選使用其中原料元素被高速離子化的陰極電弧離子鍍法、或?yàn)R射法，因?yàn)樗鼈兙哂懈?br> 的生產(chǎn)率。如果第一覆膜層由物理氣相沉積法形成，則優(yōu)選控制沉積溫度以調(diào)節(jié)第一覆膜層的結(jié)晶狀態(tài)。即，在開始形成第一覆膜層時(shí)，可將沉積溫度控制為550°C至700°C，以在基材側(cè)形成非晶態(tài)區(qū)域。另一方面，形成非晶態(tài)區(qū)域之后，可將沉積溫度控制為450°C至550°C， 以在非晶態(tài)區(qū)域上形成結(jié)晶態(tài)區(qū)域。占據(jù)第一覆膜層的非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域的厚度可通過提高或降低沉積時(shí)間來進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且沉積速率優(yōu)選為0. 1 μ m/h至0. 6 μ m/h。在物理氣相沉積法中，第一覆膜層優(yōu)選通過濺射法形成。如果第一覆膜層通過濺射法形成，則第一覆膜層(尤其是結(jié)晶態(tài)區(qū)域)具有均勻的晶體結(jié)構(gòu)。這提供了可提高第一覆膜層硬度的優(yōu)點(diǎn)。用于濺射法的具體條件在下面列出。具體而言，使用脈沖濺射以交替施加高頻脈沖和低頻脈沖。所用靶材為具有目標(biāo)組成的燒結(jié)或熔融靶材。控制脈沖頻率使得每次厚度達(dá)到20nm至70nm，將小于或等于 IOOkHz的脈沖頻率和大于或等于300kHz的脈沖頻率交替地施加到濺射陰極上。以這種方式，可交替地施加可變的脈沖頻率以調(diào)節(jié)來自靶材的粒子能。即，當(dāng)提高大于或等于300kHz的脈沖頻率的比例時(shí)，第一覆膜層的晶體以更三維的方式生長(zhǎng)，因此硬度提高；當(dāng)提高小于或等于IOOkHz的脈沖頻率的比例時(shí)，第一覆膜層的晶體生長(zhǎng)受到阻止，因此硬度往往降低。因此，可適當(dāng)控制這些脈沖頻率以在保持第一覆膜層為高度結(jié)晶的同時(shí)阻止第一覆膜層的晶體生長(zhǎng)，從而形成具有均勻晶體結(jié)構(gòu)的第一覆膜層。當(dāng)將施加到濺射陰極上的脈沖頻率控制為小于或等于IOOkHz時(shí)，施加到基材上的偏壓優(yōu)選具有大于或等于200kHz的頻率，并且偏壓電壓為大于或等于50V。當(dāng)將施加到濺射陰極上的脈沖頻率控制為大于或等于300kHz時(shí)，施加到基材上的偏壓優(yōu)選具有小于或等于IOOkHz的頻率，并且偏壓電壓小于50V。以這種方式，可調(diào)節(jié)施加到基材上的偏壓以形成具有致密晶體結(jié)構(gòu)的第一覆膜層，從而提高覆膜的熱絕緣性。實(shí)施例將參考下面的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述，但是本發(fā)明并不限于此。在實(shí)施例中，覆膜和各層的厚度通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)檢測(cè)覆膜的橫截面來測(cè)定，并且形成實(shí)施例中各層的化合物的組成通過X射線光電子能譜 (XPS)進(jìn)行檢測(cè)。另外，晶體結(jié)構(gòu)通過X射線衍射(XRD)來檢測(cè)，其中在0.5°的入射角下進(jìn)行測(cè)定。另外，整個(gè)覆膜的殘余應(yīng)力通過上述sin2 Ψ法來測(cè)定，并且硬度通過使用納米壓痕儀(Elionix株式會(huì)社制)來測(cè)定。此外，在測(cè)試溫度為且測(cè)試濕度為30%的環(huán)境下使用熱顯微鏡(熱顯微鏡TM3 (BETHEL株式會(huì)社制))，以點(diǎn)測(cè)量模式聯(lián)合測(cè)定頻率為 3MHz的檢測(cè)激光，通過熱反射法來測(cè)定熱浸透率。<實(shí)施例1至31和對(duì)比例1至8>如下制造和評(píng)價(jià)表面被覆切削工具。<表面被覆切削工具的制造>首先，作為表面被覆切削工具的基材，制造了由P20燒結(jié)硬質(zhì)合金形成且形狀為SEET13T3AGSN(JIS)的端面銑削用可轉(zhuǎn)位刀片和由P20燒結(jié)硬質(zhì)合金形成且形狀為 CNMG120408 (JIS)的車削用可轉(zhuǎn)位刀片。將這些基材安裝在陰極電弧離子鍍/濺射裝置或 CVD裝置上。
之后，通過真空泵將上述裝置室內(nèi)的壓力降低，同時(shí)通過安裝在裝置中的加熱器將基材溫度升高至600°C，將室內(nèi)排空直至內(nèi)部壓力降至1. 0 X IO-4Pa0接下來，通過將基材的基片偏壓電源的電壓逐漸升高至-1，500V以加熱鎢絲，使得在其發(fā)射熱電子的同時(shí)將氬氣引入到室內(nèi)以保持內(nèi)部壓力為3. OPa，從而將基材表面清潔30分鐘。之后將氬氣排出。之后，將表I和II中示出的第二覆膜層作為中間層按第一層、第二層和第三層的順序直接形成在基材上。表中的符號(hào)“-”是指沒有形成對(duì)應(yīng)的層。在引入Arj2、CH4*A 的同時(shí)，使用具有目標(biāo)組成(S卩，表I和II中示出的中間層的金屬組成)的燒結(jié)或熔融靶材，通過已知的方法來沉積中間層。在表I和II中，在“第一層”、“第二層”和“第三層”各欄中的“組成”示出的是形成各層的化合物的組成，并且“厚度”示出的是各層的厚度。另外，表II中實(shí)施例四至31的第二層具有超多層結(jié)構(gòu)，將它們?cè)谝阎獥l件下沉積為在組成旁邊的括號(hào)內(nèi)示出的厚度。之后，在如上形成的中間層上形成表I和II中示出的第一覆膜層。通過進(jìn)行以下工序形成第一覆膜層，使其具有表I和II中所示的厚度使用具有目標(biāo)組成(即，表I和II 中示出的第一覆膜層的金屬組成)的燒結(jié)或熔融靶材，同時(shí)引入氬氣和氮?dú)?，?50°C下形成具有表I和II中所示厚度的非晶態(tài)區(qū)域，之后在500°C下形成具有表I和II中所示厚度的結(jié)晶態(tài)區(qū)域。在表I和II中，在“第一覆膜層”欄中的“組成”示出的是形成第一覆膜層的化合物組成。表I和II中的“A1N”是指由鋁和氮構(gòu)成的結(jié)晶態(tài)或非晶態(tài)材料，其中鋁與氮的原子比不限于1 1，可稍微偏離該值，包括所有已知的原子比；即，對(duì)它們的原子比沒有特別限定。如上述AlN的情況一樣，在表I和II中示出的組成中的任何一個(gè)都沒有以組成比進(jìn)行限定。此外，在“制備方法” 一欄中的“AIP”表示通過電弧離子鍍形成層，“SP”表示通過濺射法形成層，“CVD”表示通過已知的化學(xué)氣相沉積法形成層。另外，“厚度”一欄示出非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域的厚度，“總厚度”一欄示出它們的總厚度。另外，“硬度”一欄示出使用納米壓痕硬度測(cè)試儀測(cè)得的壓痕硬度，并且“殘余應(yīng)力，，一欄示出整個(gè)第一覆膜層的平均殘余應(yīng)力。為了通過濺射法形成第一覆膜層，在650°C下形成非晶態(tài)區(qū)域，之后通過將溫度提高至500°C，并通過控制脈沖頻率使得每次厚度達(dá)到20nm至70nm，從而將小于或等于 IOOkHz的脈沖頻率以及大于或等于300kHz的脈沖頻率交替地施加至濺射陰極來形成結(jié)晶態(tài)區(qū)域。為了在第一覆膜層的結(jié)晶態(tài)區(qū)域中形成致密晶體結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)形成結(jié)晶態(tài)區(qū)域時(shí)的脈沖頻率和偏壓。具體而言，當(dāng)將施加到濺射陰極上的脈沖頻率控制為小于或等于IOOkHz 時(shí)，將施加到基材上的偏壓調(diào)節(jié)至大于或等于200kHz的頻率并且使偏壓電壓為大于或等于50V，而當(dāng)將施加到濺射陰極上的脈沖頻率控制為大于或等于300kHz時(shí)，將施加到基材上的偏壓調(diào)節(jié)至小于或等于IOOkHz的頻率并且使偏壓電壓小于50V。調(diào)節(jié)濺射電源使得沉積速率為0. 1 μ m/h至0. 6 μ m/ho之后，在如上所述形成的第一覆膜層上形成表I和II中所示的最外層。在這些表中，在示出最外層組成的欄中的符號(hào)“_”是指沒有形成最外層。使用具有目標(biāo)組成(即，表
10I和II中示出的最外層的金屬組成)的燒結(jié)或熔融靶材，通過已知方法沉積可按照與上述第二覆膜層相同的方式形成的最外層，使其具有表I和II中所示的厚度。在表I和II中，“最外層”一欄中的“組成”示出的是形成最外層的化合物組成，并且“總厚度” 一欄示出整個(gè)覆膜的厚度。<表面被覆切削工具的耐磨性評(píng)價(jià)>通過在下列條件下進(jìn)行端面銑削測(cè)試和連續(xù)車削測(cè)試，評(píng)價(jià)實(shí)施例1至31和對(duì)比例1至8中如上所述制造的每個(gè)表面被覆切削工具的耐磨性。通過將切削刃處的側(cè)面磨耗幅度超過0. 2mm之前所經(jīng)歷的時(shí)間或者覆膜破裂前所經(jīng)歷的時(shí)間作為切削時(shí)間進(jìn)行測(cè)定， 來實(shí)施該評(píng)價(jià)。結(jié)果在表III中示出。對(duì)于端面銑削測(cè)試和連續(xù)車削測(cè)試而言，較長(zhǎng)的切削時(shí)間表示優(yōu)異的耐磨性?！炊嗣驺娤鳒y(cè)試的條件〉如上所述，將由P20燒結(jié)硬質(zhì)合金形成且形狀為SEET13T3AGSN(JIS)的端面銑削用可轉(zhuǎn)位刀片作為基材，在下列條件下進(jìn)行測(cè)試工件SUS304(加工面尺寸300mmX120mm)切削速度100m/min切割深度2.0mm進(jìn)給0. 15mm/rev干式/濕式干式〈連續(xù)車削測(cè)試的條件〉如上所述，將由P20燒結(jié)硬質(zhì)合金形成且形狀為CNMG120408的車削用可轉(zhuǎn)位刀片作為基材，在下列條件下進(jìn)行測(cè)試工件鉻鎳鐵合金(Inc0nel)718圓棒
切削速度40m/min
切割深度0. 5mm
進(jìn)給0. 15mm/rev
干式/濕式干式
權(quán)利要求
1.一種表面被覆切削工具，包括基材以及在所述基材上形成的覆膜，其中所述覆膜通過物理氣相沉積法形成，并且包含一層或多層；所述一層或多層中的至少一層為第一覆膜層；所述第一覆膜層含有鋁和氮，其熱浸透率為2，000J · sec-1 · πΓ1 · Γ1至 5，000J · sec-1 · πΓ1 · Γ1,并且厚度為 0. 2 μ m M 5 μ m ；所述第一覆膜層從所述基材側(cè)起依次包括非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域；所述非晶態(tài)區(qū)域?yàn)榉蔷B(tài)，并具有0. 01 μ m至2 μ m的厚度；并且所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域具有含有六方晶結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域的硬度為 2，500mgf/μ m2 至 3，800mgf/μ m2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面被覆切削工具，其中所述第一覆膜層的殘余應(yīng)力為-IGPa 至 OGPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中所述第一覆膜層通過濺射法形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中所述第一覆膜層包含 Al1-JMexN (0. 001 ^ χ ^ 0. 2)，其中Me為選自由釩、鉻、釔、鈮、鉿、鉭、硼和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中所述覆膜除了所述第一覆膜層之外還包括一層或多層第二覆膜層，所述第二覆膜層包含選自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、鋁和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素；或者，所述第二覆膜層包含由選自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、鋁和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素所形成的化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面被覆切削工具，其中所述一層或多層第二覆膜層包含選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素；或者，所述第二覆膜層包含由選自鉻、鋁、 鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素所形成的化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的表面被覆切削工具，其中所述第二覆膜層具有超多層結(jié)構(gòu)，該超多層結(jié)構(gòu)包括周期疊加的厚度為Inm至IOOnm的薄膜層，所述薄膜層包含選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素；或者，所述薄膜層包含由選自鉻、鋁、鈦和硅構(gòu)成的組中的一種或多種元素與選自碳、氮、氧和硼構(gòu)成的組中的一種或多種元素所形成的化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中所述基材包含硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、高速鋼、陶瓷、或金剛石燒結(jié)體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在基材和覆膜之間具有高粘附性的同時(shí)，兼具優(yōu)異的耐熱性、優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的潤(rùn)滑性的表面被覆切削工具。本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在該基材上形成的覆膜，所述覆膜的特征在于，該覆膜通過物理氣相沉積法形成并包含一層或多層；所述一層或多層中的至少一層為第一覆膜層；所述第一覆膜層含有鋁和氮，其熱浸透率為2,000J·sec-1·m-1·K-1至5,000J·sec-1·m-1·K-1，并且厚度為0.2μm至5μm；所述第一覆膜層從所述基材側(cè)起依次包括非晶態(tài)區(qū)域和結(jié)晶態(tài)區(qū)域；所述非晶態(tài)區(qū)域?yàn)榉蔷B(tài)，并且厚度為0.01μm至2μm；所述結(jié)晶態(tài)區(qū)域具有含有六方晶結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B23B51/00GK102317016SQ20108000818
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者今村晉也, 小池沙知子, 山縣一夫 申請(qǐng)人:住友電工硬質(zhì)合金株式會(huì)社