表面被覆切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種表面被覆切削工具，包括基材和在該基材上形成的被覆膜，其特征如下：所述被覆膜至少包括耐磨層和抗粘著層，所述耐磨層具有其中含Ti和Al的氮化物的A層以及含Al和Cr的氮化物的B層交替層疊的多層結(jié)構(gòu)；所述耐磨層具有立方晶體結(jié)構(gòu)；并且所述抗粘著層位于所述被覆膜的最外表面，由（AlaCrbTi1-a-b)N表示的氮化物（該式中，a+b<0.99，b>0.01，0.2b+0.7<a）構(gòu)成，并具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。
【專利說明】表面被覆切削工具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有形成于基材上的被覆膜的表面被覆切削工具。
【背景技術(shù)】
[0002]為改善耐磨性和耐崩裂性，已將包括鉆頭的切削工具用作具有形成于基材上的各種被覆膜的表面被覆切削工具。在現(xiàn)代切削加工中，需要高效率，并且由于工件材料的強(qiáng)度變高的趨勢導(dǎo)致工件材料變得難以切削，因此與傳統(tǒng)切削加工相比，被覆膜往往發(fā)生磨損。
[0003]因此，需要對上述被覆膜進(jìn)行改進(jìn)。例如，國際專利公布N0.W02006/070730小冊子(PTDI)提出了一種表面被覆切削工具，該表面被覆切削工具包括具有特定組成的交替層作為被覆膜。
[0004]引用列表
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]PTDl:國際專利公布N0.W02006/070730小冊子
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
[0008]PTDl中的表面 被覆切削工具成功地將被覆膜的性能改善到一定程度。然而，在現(xiàn)今的切削加工環(huán)境下，需要進(jìn)一步提高性能，尤其需要降低工件材料對被覆膜的粘著。
[0009]這是因?yàn)楣ぜ牧险持焦ぞ叩捻敹嘶虻度胁繒?dǎo)致工具的崩裂和破損。一旦工件材料粘著在工具的頂端等上，當(dāng)該工件材料再次脫落時(shí)，工件材料就會與被覆膜以及基材的一部分一起脫落，并且從脫落部分開始出現(xiàn)異常磨損并產(chǎn)生裂縫，這被認(rèn)為引起了工具的崩裂和破損。
[0010]當(dāng)上述表面被覆切削工具為鉆頭時(shí)，更需要高效率，并且工件變得更加難以切削，因此，在現(xiàn)今的鉆頭加工中強(qiáng)烈需要被覆膜的耐磨性。
[0011]本發(fā)明是鑒于上述情況做出的，其目的是提供一種表面被覆切削工具，在該切削工具中，被覆膜的耐磨性得到提高并且工件材料的粘著降低，從而防止了工具的崩裂和破損。
[0012]問題的解決
[0013]為解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)真地進(jìn)行了研究，并獲得如下發(fā)現(xiàn):形成具有優(yōu)異耐磨性的層作為被覆膜的內(nèi)層以及形成具有優(yōu)異的抗粘著性的層作為表面層是最有效的?；谶@些發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的發(fā)明人對各層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究并完成了本發(fā)明。
[0014]具體而言，根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具是這樣的表面被覆切削工具:其包括基材和在該基材上形成的被覆膜，其中所述被覆膜至少包括耐磨層和抗粘著層，所述耐磨層具有其中含Ti和Al的氮化物的A層以及含Al和Cr的氮化物的B層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并具有立方晶體結(jié)構(gòu)，并且所述抗粘著層位于被覆膜的最外表面、由(AlaCrbTi1^)N表示的氮化物(其中a+b〈0.99、b>0.01并且0.2b+0.7<a)構(gòu)成，并具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。[0015]優(yōu)選地在整個(gè)被覆膜中，Al相對于全部金屬原子的原子比高于0.6小于等于0.8，并且Cr相對于全部金屬原子的原子比高于0.15小于等于0.3。
[0016]優(yōu)選地被覆膜的厚度為2 μ m至30 μ m。優(yōu)選地抗粘著層的厚度為0.5 μ m至8 μ m。
[0017]假設(shè)Tl表示耐磨層的厚度且T2表示抗粘著層的厚度，則厚度比T2/T1優(yōu)選滿足0.25 ( T2/T1 ( 0.55的關(guān)系。假設(shè)Ta表示A層的平均厚度且Tb表示B層的平均厚度，則厚度比Tb/Ta優(yōu)選滿足1.5≤Tb/Ta ( 4的關(guān)系。優(yōu)選地，Ta為Inm至IOnm且Tb為1.5nm至 30nm。
[0018]優(yōu)選地，A層由(Til-cAlc)N表示的氮化物(其中0.3〈c<0.7)構(gòu)成，并且B層由(AleCr1JN表示的氮化物(其中0.6〈e〈0.75)構(gòu)成。
[0019]優(yōu)選地，被覆膜在基材與耐磨層之間具有中間層，并且所述中間層由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成，且厚度為0.01 μ m至0.5 μ m。
[0020]優(yōu)選地，被覆膜在耐磨層和抗粘著層之間具有第一粘附層和第二粘附層，所述第一粘附層位于耐磨層和第二粘附層之間，由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成，并且厚度為30nm至0.1ym,所述第二粘附層具有其中C層以及D層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并且厚度為IOnm至0.2 μ m，其中所述C層為含Ti和Al的氮化物并具有與耐磨層相同的晶體結(jié)構(gòu)，所述D層具有與抗粘著層相同的組成。[0021]本發(fā)明的有益效果
[0022]將根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具進(jìn)行上述構(gòu)造，從而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的抗粘著性，因此具有非常有效地防止崩裂和破損的優(yōu)異效果。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下將對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說明。
[0024]<表面被覆切削工具>
[0025]根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具具有這樣的構(gòu)造:其包括基材和在該基材上形成的被覆膜。上述被覆膜優(yōu)選地覆蓋基材的整個(gè)表面。然而，一部分基材未被該被覆膜覆蓋的構(gòu)造、或被覆膜的結(jié)構(gòu)局部不同的構(gòu)造也沒有脫離本發(fā)明的范圍。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的上述表面被覆切削工具可適當(dāng)?shù)赜米髦T如鉆頭、端銑刀、鉆頭用被覆切削刀片、端銑刀用被覆切削刀片、銑削用被覆切削刀片、機(jī)械加工用被覆切削刀片、金屬用鋸、齒輪切削工具、鉸刀和絲錐等切削工具。其中，由于被覆膜的耐磨性和被覆膜對工件材料的抗粘著性得以高度改善，所以根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具可特別優(yōu)異地用作鉆頭。
[0027]< 基材 >
[0028]可將作為此類基材常規(guī)已知的任何基材用作根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具中所使用的基材?；牡睦涌砂ㄓ操|(zhì)合金(包括，例如WC基硬質(zhì)合金、包含WC和Co的硬質(zhì)合金，以及包含WC和Co與額外的T1、Ta、Nb等碳氮化物的硬質(zhì)合金)、金屬陶瓷(包含TiC, TiN, TiCN等作為主要組分)、高速鋼、陶瓷(如碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁和氧化鋁)、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體等。
[0029]<被覆膜>
[0030]本發(fā)明的被覆膜由多個(gè)層形成并至少包括耐磨層和抗粘著層。通過協(xié)同發(fā)揮下述各層的作用，本發(fā)明的被覆膜可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性和優(yōu)異的抗粘著性，因此具有非常有效地防止工具的崩裂和破損的極其優(yōu)異的效果。
[0031]上述被覆膜的厚度優(yōu)選為2-30 μ m (2 μ m或更大且30 μ m或更小。當(dāng)在本發(fā)明中以這種方式通過用符號連接兩個(gè)數(shù)值來表示范圍時(shí)，其下限值和上限值應(yīng)當(dāng)均包含在此范圍內(nèi))，并且更優(yōu)選為3-12 μ m。
[0032]如果被覆膜的厚度小于2 μ m，那么在某些情況下，提高耐磨性、抗粘著性等的效果不能充分發(fā)揮。如果該厚度超過30 μ m，則被覆膜自身更容易剝落。
[0033]下面將對形成被覆膜的各層進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034]<抗粘著層>
[0035]本發(fā)明的抗粘著層位于被覆膜的最外表面，并且可實(shí)現(xiàn)非常有效地防止工件材料粘著于工具的頂端或刀刃部分的優(yōu)異的抗粘著性。
[0036]上述的抗粘著層需要由(AlaCrbTU N表示的氮化物(其中a+b〈0.99、b>0.01并且0.2b+0.7<a)構(gòu)成，并且具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。
[0037]人們發(fā)現(xiàn)，如果上述抗粘著層通過使用具有六方晶體結(jié)構(gòu)的AlN形成的話，那么該抗粘著層在抗粘著性和高溫下的滑動性(siidabiIity)方面優(yōu)異,然而由于抗粘著層具有低硬度，因此由于磨損導(dǎo)致抗粘著層在切削加工的早期階段消失并且具有持續(xù)性問題。因此，在本發(fā)明中，向此AlN中添加特定量的Cr和Ti以提高硬度，從而可大大改善抗粘著性的持續(xù)性。如果只添加Cr，則不能充分地提高硬度。如果只添加Ti，則高溫下的穩(wěn)定性不足。因此，向AlN中添加Cr和Ti兩者是重要的。
[0038]在上述等式中，a和b表示原子比。如果a+b等于或大于0.99，則Ti的量相對降低，因此不能充分地提高硬度。如果b等于或小于0.01，則高溫下的穩(wěn)定性不足。另一方面。如果0.2b+0.7 ≥ a，則在高溫下部分或全部抗粘著層的晶體結(jié)構(gòu)將變?yōu)榱⒎骄w結(jié)構(gòu)并失去抗粘著性。
[0039]換言之，本發(fā)明的抗粘著層具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)是重要的。如果抗粘著層具有其他晶體結(jié)構(gòu)(如立方晶體結(jié)構(gòu))，則不能獲得優(yōu)異的抗粘著性。另外，本發(fā)明的抗粘著層優(yōu)選具有納米顆粒的結(jié)構(gòu)，并且所述納米顆粒的平均粒度等于或小于40nm。通過使晶粒細(xì)化，提高了硬度和韌性，并且改善了抗粘著層的持續(xù)性。
[0040]在本說明書中，“納米顆粒的平均粒度”的測量如下。首先，切下被覆膜，并使用TEM以20000倍至1000000倍的放大倍數(shù)觀察截面。此時(shí)，優(yōu)選對放大倍數(shù)進(jìn)行以下調(diào)整，使得在觀察視野中包括至少20個(gè)晶粒。接下來，對于在觀察視野中隨機(jī)選取的10個(gè)晶粒，將一個(gè)晶粒的最大直徑定義為此晶粒的粒度。在由此獲得的各晶粒的粒度中，將除最大值和最小值以外的粒度的算術(shù)平均值定義為“納米顆粒的平均粒度”。
[0041]在上述等式中，對(AlaCrbTi1Ib)和N之間的比值沒有特別限定，并且可為任意比值。例如，如果前者為I，則后者(即，N)可為0.8至1.1。
[0042]如上所述，本發(fā)明的抗粘著層實(shí)現(xiàn)了非常優(yōu)異的抗粘著性，這是本發(fā)明的特征之一。
[0043]上述抗粘著層的厚度優(yōu)選為0.5 μ m至8 μ m,并且更優(yōu)選為0.8 μ m至5 μ m。如果抗粘著層的厚度小于0.5 μ m,則在某些情況下所述抗粘著層不能實(shí)現(xiàn)充分的抗粘著性。如果厚度超過8 μ m,則耐磨性可能會降低。[0044]<耐磨層>
[0045]本發(fā)明的耐磨層位于基材和上述抗粘著層之間，并且具有改善耐磨性的功能。
[0046]上述耐磨層需要具有其中含Ti和Al的氮化物的A層以及含Al和Cr的氮化物的B層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并且需要具有立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0047]因?yàn)楹珹l和Cr的氮化物層具有耐磨性和耐熱性方面優(yōu)異的性能，所以可以想到的是將此層用作耐磨層。然而，該層具有既硬且脆的缺點(diǎn)。因此在本發(fā)明中，將含Ti和Al的氮化物層(其以韌性優(yōu)異為人所知)以及含Al和Cr的氮化物層交替疊加，由此本發(fā)明不僅可成功地改善耐磨性而且可成功地實(shí)現(xiàn)耐熱性和韌性。
[0048]另外，由于本發(fā)明的耐磨層相應(yīng)地包含Ti，因此該耐磨層還有助于抑制高速加工過程中后刀面的化學(xué)磨損。
[0049]此外，由于本發(fā)明的耐磨層具有立方晶體結(jié)構(gòu)，因此提高了硬度，并結(jié)合上述組成實(shí)現(xiàn)了非常優(yōu)異的耐磨性。本發(fā)明的耐磨層優(yōu)選具有柱狀晶體的結(jié)構(gòu)，并且該柱狀晶體的平均粒度大于150nm小于等于250nm。通過強(qiáng)化晶界提高了硬度并且改善了耐磨性。
[0050]在本說明書中，“柱狀晶體的平均粒度”的測量如下。首先，切下被覆膜，并使用TEM以20000倍至1000000倍的放大倍數(shù)觀察截面。此時(shí)，優(yōu)選對放大倍數(shù)進(jìn)行以下調(diào)整，使得在觀察視野中包括至少20個(gè)晶粒(柱狀晶體)。接下來，對于在觀察視野中隨機(jī)選取的10個(gè)柱狀晶體，測量了垂直于該柱狀晶體的延伸方向上的寬度(直徑)的最大寬度(最大直徑)。在如此獲得的測量值中，將除最大值和最小值以外的測量值的算術(shù)平均值定義為“柱狀晶體的平均粒度”。
[0051]現(xiàn)在，假設(shè)Ta表示上述A層的平均厚度且Tb表示上述B層的平均厚度，則厚度比Tb/Ta優(yōu)選滿足1.5 ( Tb/Ta ( 4的關(guān)系，更優(yōu)選滿足2 ( Tb/Ta ( 3的關(guān)系。通過將厚度比設(shè)定在上述范圍內(nèi)，從而可由B層實(shí)現(xiàn)充分的耐磨性和耐熱性，并且還可由A層充分地實(shí)現(xiàn)改善韌性的效果。
[0052]如果上述厚度比低于1.5，則耐磨性可能降低。如果上述厚度比超過4，則韌性可能變差，并且可能降低高硬度工件材料的高速加工過程中后刀面的耐磨性。
[0053]上述平均厚度是指將各層的總厚度除以疊加的層數(shù)而獲得的厚度。
[0054]上述A層的平均厚度Ta優(yōu)選為Inm至IOnm,更優(yōu)選為2nm至6nm。上述B層的平均厚度Tb優(yōu)選為1.5nm至30nm,更優(yōu)選為7nm至20nm。由于各層均具有上述的厚度，因此可獲得特別優(yōu)異的韌性和耐磨性。如果各層的厚度均小于上述下限值，則不能獲得通過多層疊加所產(chǎn)生的效果。如果各層的厚度均超過上限值，則也不能獲得通過多層疊加所產(chǎn)生的效果。
[0055]耐磨層的上述厚度優(yōu)選地通過交替疊加100層至10000層的上述A層和100層至10000層的上述B層獲得。因此實(shí)現(xiàn)了特別高的韌性。
[0056]另一方面，上述A層優(yōu)選由(TihAle)N表示的氮化物(其中0.3<c ( 0.7)構(gòu)成，并且上述B層優(yōu)選由(AleCr1JN表示的氮化物(其中0.6〈e〈0.75)構(gòu)成。由于A層和B層具有上述組成，因此可將A層構(gòu)造為在韌性方面特別優(yōu)異并具有高硬度，并可將B層構(gòu)造為在耐熱性方面特別優(yōu)異。這些層交替疊加，由此可實(shí)現(xiàn)特別優(yōu)異的耐磨性。
[0057]在上述(TihAlc)N中，對(IVcAlc)和N之間的比值沒有特別限定，并且可以為任意比值。例如，如果前者為1，則后者(即，N)可為0.8至1.1。類似地，在上述(AleCr1JN中，對(AleCr1J和N之間的比值也沒有特別限定，并且可以為任意比值。例如，如果前者為I，則后者(即，N)可為0.8至1.1。
[0058]只要上述A層和B層交替疊加即可，對疊加順序沒有特別限定。換言之，A層可位于基材側(cè)(疊加開始側(cè))，或者B層可位于基材側(cè)。或者，A層可位于抗粘著層側(cè)(疊加結(jié)束側(cè))，或者B層可位于抗粘著層側(cè)。除非另有說明，則假設(shè)疊加以A層開始以B層結(jié)束。
[0059]〈硬度比〉
[0060]至于被覆膜的硬度，假設(shè)Hl表示耐磨層的硬度且H2表示從抗粘著層的表面測得的硬度，則硬度比H2/H1優(yōu)選滿足0.7〈H2/H1〈1.1的關(guān)系，更優(yōu)選滿足0.9<H2/H1<1.0的關(guān)
系O
[0061]如上所述，與具有六方晶體結(jié)構(gòu)的AlN相比，本發(fā)明的抗粘著層的特征在于硬度得以提高。另一方面，由于本發(fā)明的抗粘著層在硬度方面低于耐磨層，因此在發(fā)生磨損的部分實(shí)現(xiàn)了平滑磨損，并且切屑排出性變得更好。從而，可降低切削阻力并且可抑制工具的崩裂和破損。如果本發(fā)明的抗粘著層在硬度方面高于耐磨層，則可改善抗粘著層的持續(xù)性，由此可獲得優(yōu)異的抗粘著性。
[0062]換言之，因?yàn)楸景l(fā)明的抗粘著層和耐磨層在晶體結(jié)構(gòu)上彼此不同，因此它們在諸如硬度、耐熱性和滑動性等性能上彼此迥異。然而，由于本發(fā)明的抗粘著層和耐磨層在化學(xué)組成上彼此類似，因此它們在化學(xué)反應(yīng)性上彼此相似，從而在化學(xué)磨損傾向上彼此相似。因此，通過將硬度比設(shè)定在上述范圍內(nèi)，優(yōu)化了兩層間的硬度平衡并獲得了穩(wěn)定的磨損性能，推測這引起了對工具的崩裂與破損的抑制。
[0063]〈厚度比T2/T1〉
[0064]假設(shè)Tl表示上述耐磨層的厚度且T2表示上述抗粘著層的厚度，則厚度比T2/T1優(yōu)選滿足0.17 ( T2/T1 ( 0.55的關(guān)系。換言之，抗粘著層的厚度優(yōu)選小于如上所述的耐
磨層的厚度。
[0065]如果厚度比T2/T1低于0.17，則在某些情況下不能獲得充分的抗粘著性。如果厚度比T2/T1超過0.55，則在某些情況下不能獲得充分的耐磨性。通過將厚度比T2/T1設(shè)定在上述范圍內(nèi)，可優(yōu)化抗粘著層的平滑磨損與耐磨層的高度耐磨性之間的平衡，并可高度抑制工具的崩裂與破損。
[0066]〈中間層〉
[0067]除上述耐磨層和抗粘著層之外，本發(fā)明的被覆膜還可包括任意層。
[0068]例如，本發(fā)明的被覆膜可在基材與耐磨層之間具有中間層。此中間層優(yōu)選由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成,并且厚度為0.01 μ m至0.5 μ m。
[0069]由于形成了上述中間層，因此改善了基材與被覆膜之間的粘附性，并且可有效防止在切削加工過程中被覆膜從基材上剝落。如果中間層的厚度小于0.01 μ m，則在某些情況下不能獲得充分的粘附性。如果中間層的厚度超過0.5 μ m，則該中間層在韌性方面差于耐磨層，因此粘合層自身可能被破壞，這可能會導(dǎo)致被覆膜的剝落。上述中間層更優(yōu)選的厚度為 0.05 μ m 至 0.3 μ m。
[0070]對形成中間層的含Ti和Al的氮化物的具體組成沒有特別限定，可任意選擇常規(guī)已知的組成。
[0071]〈粘附層〉[0072]本發(fā)明的被覆膜可進(jìn)一步在耐磨層和抗粘著層之間具有第一粘附層和第二粘附層。
[0073]第一粘附層可被構(gòu)造為位于耐磨層和第二粘附層之間，由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成，并且厚度為30nm至0.1 μ m。第二粘附層可被構(gòu)造為具有其中C層以及D層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并且厚度為IOnm至0.2 μ m，其中所述C層為含Ti和Al的氮化物，并且具有與耐磨層相同的晶體結(jié)構(gòu)，所述D層具有與抗粘著層相同的組成。
[0074]因?yàn)楸景l(fā)明的耐磨層和抗粘著層在晶體結(jié)構(gòu)上彼此不同，所以本發(fā)明的耐磨層和抗粘著層可能在粘附性方面較差，并且由于該抗粘著層容易剝落等導(dǎo)致在某些情況下不能獲得充分的抗粘著性。因此，優(yōu)選在耐磨層和抗粘著層之間形成第二粘附層，該第二粘附層由C層以及D層交替疊加形成，其中所述C層為含Ti和Al的氮化物且具有與耐磨層相同的晶體結(jié)構(gòu)，所述D層具有與抗粘著層相同的組成，從而具有與抗粘著層相同的晶體結(jié)構(gòu)。因此，可大大改善耐磨層和抗粘著層之間的粘附性。
[0075]上述第二粘附層優(yōu)選通過將C層和D層重復(fù)交替疊加兩次至十次形成，并且厚度為IOnm至0.2 μ m。將疊加重復(fù)兩次以上，由此改善了機(jī)械性能并改善了粘附性。第二粘附層的厚度優(yōu)選為0.2 μ m或更小。這是因?yàn)?，如果厚度超過0.2 μ m，則機(jī)械性能降低，并且容易發(fā)生自身破壞。因此，考慮到厚度，疊加的重復(fù)次數(shù)的上限優(yōu)選為約10。
[0076]只要上述C層和D層交替疊加即可，對疊加的順序沒有特別限定。換言之，C層可位于耐磨層側(cè)(疊加開始側(cè))，或者D層可位于耐磨層側(cè)?；蛘?，C層可位于抗粘著層側(cè)(疊加結(jié)束側(cè))，或者D層可位于抗粘著層側(cè)。然而，考慮到對耐磨層的粘附性，優(yōu)選地疊加從C層開始。因此，除非另有說明，假設(shè)疊加以C層開始以D層結(jié)束。
[0077]此外，由于第一粘附層在該第二粘附層和耐磨層之間形成，因此可進(jìn)一步改善耐磨層和抗粘著層之間的粘附性。因?yàn)槿缟纤瞿湍泳哂懈哂捕?，所以耐磨層往往在粘附性方面差于其他層。因此，插入了由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成、并對其它層具有特別優(yōu)異的粘附性的第一粘附層，由此改善了耐磨層和第二粘附層之間的粘附性，因此進(jìn)一步改善了耐磨層和抗粘著層之間的粘附性。優(yōu)選地，形成第一粘附層的含Ti和Al的氮化物具有與耐磨層相同的立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0078]上述第一粘附層的厚度優(yōu)選為30nm至Ο.?μπι。如果第一粘附層的厚度超過0.1ym,則機(jī)械強(qiáng)度降低。如果第一粘附層的厚度小于30nm，則該第一粘附層不具有充分的粘附性。對形成第一粘附層的含Ti和Al的氮化物的具體組成沒有特別限定，可任意選擇常規(guī)已知的組成。
[0079]〈原子比〉
[0080]優(yōu)選地，在本發(fā)明的整個(gè)被覆膜中，Al相對于全部金屬原子的原子比(B卩，當(dāng)假設(shè)全部金屬原子數(shù)為I時(shí)的Al的原子比)高于0.6小于等于0.8，并且Cr相對于全部金屬原子的原子比高于0.15小于等于0.3。
[0081]作為整個(gè)被覆膜的平均組成將Al的原子比設(shè)定在上述范圍內(nèi)，由此可獲得具有優(yōu)異的抗粘著性和優(yōu)異的耐熱性的被覆膜。更優(yōu)選地，Al的原子比高于0.65小于等于0.72。
[0082]另一方面，作為整個(gè)被覆膜的平均組成將Cr的原子比設(shè)定在上述范圍內(nèi)，由此可獲得具有優(yōu)異的耐磨性的被覆膜。更優(yōu)選地，Cr的原子比高于0.17小于等于0.23。[0083]如上所述，作為整個(gè)被覆膜的平均組成將Al和Cr的原子比設(shè)定在上述范圍內(nèi)，由此可高度改善被覆膜的耐磨性和抗粘著性。
[0084]在本發(fā)明中，“金屬原子”是指除氫、氦、氖、気、氪、氣、氡、氟、氯、溴、碘、破、氧、硫、硒、碲、氮、磷、砷、銻和碳以外的元素的原子。
[0085]< 應(yīng)力 >
[0086]本發(fā)明的被覆膜的應(yīng)力測量如下。首先，使用表面粗糙度計(jì)測量成膜前后的硬質(zhì)合金制成的板(20mmX IOmmX Imm)的翅曲量。接著，使用Calotest測量被覆膜的膜厚。然后，利用如此獲得的翹曲量和膜厚計(jì)算被覆膜的應(yīng)力。
[0087]本發(fā)明的被覆膜的壓縮應(yīng)力優(yōu)選為-0.1GPa以下_3.0GPa以上，更優(yōu)選為_1.0GPa以下-2.5GPa以上。
[0088]由于本發(fā)明的被覆膜具有上述的壓縮應(yīng)力，因此能夠抑制裂縫(其被認(rèn)為是導(dǎo)致崩裂的原因)的發(fā)展。換言之，本發(fā)明的被覆膜具有優(yōu)異的耐崩裂性。
[0089]〈X-射線圖樣〉
[0090]本說明書中所描述的X射線衍射圖樣是在下面的條件下測量的。
[0091]測量部位:鉆頭的后刀面
[0092]所用的X-射線:Cu_K α
[0093]激發(fā)條件:45kV200mA
[0094]所用的準(zhǔn)直儀:Φ 0.3mm
[0095]測量方法:Θ -2 Θ法。
[0096]另外，在本說明書中，峰強(qiáng)度的測量如下。首先，對于所獲得的X射線衍射圖樣，在2 9=36°、37.4°、37.9°和43.2°處指定峰的位置。接著，用軟件自動進(jìn)行峰的分離。由此獲得分離的峰的強(qiáng)度。
[0097]本發(fā)明的被覆膜可具有下面的X射線衍射圖樣。具體而言，假設(shè)Kl表示2 Θ =36°附近的峰強(qiáng)度且K2表示2 Θ =37.4°附近的峰強(qiáng)度，則強(qiáng)度比K2/K1滿足0.2<K2/K1<0.35的關(guān)系。2Θ=36°附近的峰對應(yīng)于抗粘著層中的六方晶體(002)，并且2 Θ =37.4°附近的峰對應(yīng)于耐磨層中的立方晶體(111 )。換言之，在此情況下，抗粘著層具有(002)取向，并且耐磨層具有(111)取向。六方晶體的(002 )面和立方晶體的(111)面是各層中的最密面，也是強(qiáng)度最高的面。因此，由于本發(fā)明的被覆膜的上述X射線衍射圖樣，抗粘著層的持續(xù)性和耐磨層的耐磨性變得更加優(yōu)異。
[0098]本發(fā)明的被覆膜也可具有下面的X射線衍射圖樣。具體而言，假設(shè)Kl表示2 0=37.4°附近的峰強(qiáng)度且Κ2表示2 Θ =37.9°附近的峰強(qiáng)度，則強(qiáng)度比Κ2/Κ1滿足0.4〈Κ2/Κ1〈0.6的關(guān)系。2 0=37.4°附近的峰對應(yīng)于耐磨層中的立方晶體(111 )，并且2 Θ =37.9°附近的峰對應(yīng)于抗粘著層中的六方晶體(101)。換言之，在此情況下，抗粘著層具有(101)取向，并且耐磨層具有(111)取向。立方晶體的(111)面是最密面，也是強(qiáng)度最高的面。六方晶體的(101)面在強(qiáng)度方面似乎低于最密面。由于本發(fā)明的被覆膜的上述X射線衍射圖樣，所以耐磨層的耐磨性可變得更加優(yōu)異，并且在抗粘著層的發(fā)生磨損的部分處可實(shí)現(xiàn)平滑磨損，而且切屑排出性可變得更好。因此可降低切削阻力，并可抑制工具的崩裂和破損。
[0099]本發(fā)明的被覆膜也可具有下面的X射線衍射圖樣。具體而言，假設(shè)Kl表示2 9=37.4°附近的峰強(qiáng)度且K2表示2 θ =43.2°附近的峰強(qiáng)度，則強(qiáng)度比Κ2/Κ1滿足0.6〈Κ2/Κ1〈0.75的關(guān)系。2 0=37.4°附近的峰對應(yīng)于耐磨層中的立方晶體(111 )，并且2 Θ =43.2°附近的峰對應(yīng)于抗粘著層中的立方晶體(200)。在此情況下，耐磨層具有弱(111)取向。立方晶體的(111)面是最密面，也是強(qiáng)度最高的面。因此，由于本發(fā)明的被覆膜的上述X射線衍射圖樣，耐磨層的耐磨性變得更加優(yōu)異。
[0100]〈制造方法〉
[0101]根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具可通過使用(例如)物理氣相沉積法在基材上形成被覆膜而制造。作為物理氣相沉積法，可使用常規(guī)已知的方法，沒有特別限定，并且(例如)可使用選自由電弧離子鍍法、平衡磁控濺射法和非平衡磁控濺射法構(gòu)成的組中的至少一種方法。
[0102]實(shí)施例
[0103]下面將基于實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述，但是本發(fā)明不限于此。以下描述的各實(shí)施例中被覆膜各層的組成可以通過帶有透射電子顯微鏡的EDS分析(能量分散X射線分析)來確定。
[0104]<實(shí)施例1至12和比較例I至5>
[0105]如下制造實(shí)施例1至12和比較例I至5中的表面被覆切削工具。這些表面被覆切削工具中的每個(gè)工具都具有以下構(gòu)造:通過電弧離子鍍法在基材上依次形成中間層、耐磨層、第一粘附層、第二粘附層和抗粘著層作為被覆膜，并且除第二粘附層和抗粘著層之外，其余的構(gòu)造是共通的。
[0106]將由硬質(zhì)合金制成的鉆頭(刀刃直徑:直徑8.0mm，總長度:115mm，槽的長度:65mm,帶有油孔)用作基材。
[0107]將此基材放置在電弧離子鍍裝置中，進(jìn)行抽真空，并將基材加熱至500°C。然后，進(jìn)行Ar離子蝕刻，之后在N2氣氛中通過電弧沉積首先在基材上形成由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成的中間層(厚度:0.2 μ m)。該含Ti和Al的氮化物具有Tia5Ala5N的組成并且形成條件如下:
[0108]靶:Tia5Ala5
[0109]壓力:6Pa
[0110]電弧電流:120A
[0111]偏壓:50V
[0112]在使用電弧離子鍍法形成各層的情況下，對所用的靶的組成進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得各層的組成。
[0113]接著，在如上形成的中間層上形成耐磨層(厚度:3.9 μ m)，該耐磨層具有包括交替疊加的A層和B層的多層結(jié)構(gòu)。含Ti和Al的氮化物的A層具有4nm的厚度(Ta)以及Tia5Ala5N的組成。含Al和Cr的氮化物的B層具有IOnm的厚度(Tb)以及Ala65Cra35N的組成。A層和B層各自的疊加數(shù)均為280，并且Tb/Ta=2.5。此耐磨層的形成條件如下:
[0114]靶:Tia5Ala5(A 層)，Ala65Cra35 (B 層)
[0115]壓力:5Pa
[0116]放電電流:100A(A 層)，180A (B 層)
[0117]偏壓:40V[0118]將上述靶放置在電弧離子鍍裝置的爐中的預(yù)定位置，并在基材面對各靶的情況下使基材旋轉(zhuǎn)。一邊調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，一邊形成具有包括交替疊加的A層和B層的多層結(jié)構(gòu)的耐磨層。
[0119]使用X射線衍射裝置測定此耐磨層的晶體結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)該耐磨層具有立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0120]隨后，在如上形成的耐磨層上形成由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成的第一粘附層(厚度:30nm)。含Ti和Al的氮化物具有Tia5Ala5N的組成并且形成條件如下:
[0121]靶:Tia5Ala5
[0122]放電電流:IOOA
[0123]偏壓:100V
[0124]隨后，在如上形成的第一粘附層上形成第二粘附層(厚度:60nm)，該第二粘附層具有包括交替疊加的C層和D層的多層結(jié)構(gòu)。含Ti和Al的氮化物的C層具有6nm的厚度以及Tia5Ala5N的組成。D層具有6nm的厚度以及與下表1中描述的抗粘著層相同的組成。C層和D層各自的疊加數(shù)均為5。此第二粘附層的形成條件如下:
[0125]靶:Tia5Ala5 (C層)，與表1中所述的抗粘著層相同的靶(D層)
[0126]放電電流:100A(C 層)，100A (D 層)
[0127]偏壓:100V
[0128]與上述耐磨層的形成相似，在基材面對各靶的情況下使基材旋轉(zhuǎn)。一邊調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，一邊形成具有上述構(gòu)造的第二粘附層。
[0129]使用帶有透射電子顯微鏡的透射電子衍射(TED)測定此第二粘附層的晶體結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)C層具有立方晶體結(jié)構(gòu)且D層具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。
[0130]接下來，在如上形成的第二粘附層上形成抗粘著層(厚度(T2): 1.5 μ m，此為共通的)。此抗粘著層位于被覆膜的最外表面并且具有下表1中描述的組成。形成條件如下:
[0131]靶:組成被調(diào)整為表1中所述的組成的靶
[0132]放電電流:150A
[0133]偏壓:100V
[0134]使用X射線衍射裝置測定由此形成的抗粘著層的晶體結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)除比較例2和3之外的抗粘著層都具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。比較例2和3中的各抗粘著層均具有立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0135]耐磨層的厚度Tl和抗粘著層的厚度T2之間的比值T2/T1在表1中示出。
[0136]表1
[0137]
【權(quán)利要求】
1.一種表面被覆切削工具，包括基材和在該基材上形成的被覆膜，其中 所述被覆膜至少包括耐磨層和抗粘著層， 所述耐磨層具有其中含Ti和Al的氮化物的A層以及含Al和Cr的氮化物的B層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并具有立方晶體結(jié)構(gòu)，并且 所述抗粘著層位于所述被覆膜的最外表面，由(AlaCrbTi1Ib)N表示的氮化物(其中a+b<0.99，b>0.01并且0.2b+0.7<a)構(gòu)成，并具有纖鋅礦型晶體結(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 在整個(gè)所述被覆膜中，Al相對于全部金屬原子的原子比高于0.6小于等于0.8，并且Cr相對于全部金屬原子的原子比高于0.15小于等于0.3。
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 所述被覆膜的厚度為2 μ m至30 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述抗粘著層的厚度為0.5 μ m至8 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Tl表示所述耐磨層的厚度且T2表示所述抗粘著層的厚度，則厚度比T2/T1滿足0.17 ( T2/T1 ( 0.55 的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Ta表示所述A層的平均厚度且Tb表示所述B層的平均厚度，則厚度比Tb/Ta滿足1.5≤Tb/Ta ( 4的關(guān)系。
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Ta為Inm至IOnm并且所述Tb為1.5nm至30nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述A層由(TihAlc)N表示的氮化物(其中0.3<c≤0.7)構(gòu)成，并且 所述B層由(AleCr1JN表示的氮化物(其中0.6<e<0.75)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜在所述基材與所述耐磨層之間具有中間層，并且 所述中間層由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成，并且厚度為0.01 μ m至0.5 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜在所述耐磨層和所述抗粘著層之間具有第一粘附層和第二粘附層， 所述第一粘附層位于所述耐磨層和所述第二粘附層之間，由含Ti和Al的氮化物構(gòu)成，并且厚度為30nm至0.1 μ m,并且 所述第二粘附層具有其中C層以及D層交替疊加的多層結(jié)構(gòu)，并且厚度為IOnm至0.2 μ m，其中所述C層為含Ti和Al的氮化物并具有與所述耐磨層相同的晶體結(jié)構(gòu)，所述D層具有與所述抗粘著層相同的組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Hl表示所述耐磨層的硬度且H2表示從所述抗粘著層的表面測得的硬度，則硬度比 H2/H1 滿足 0.7<H2/H1<1.1 的關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Hl表示所述耐磨層的硬度且H2表示從所述抗粘著層的表面測得的硬度，則硬度比 H2/H1 滿足 0.9〈H2/H1〈1.0 的關(guān)系。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜的壓縮應(yīng)力為-0.1GPa以下-3.0GPa以上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜的壓縮應(yīng)力為-1.0GPa以下-2.5GPa以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Kl表示2 Θ =36°附近的峰強(qiáng)度且K2表示2 Θ =37.4°附近的峰強(qiáng)度，則所述被覆膜具有其中強(qiáng)度比K2/K1滿足0.2<K2/K1<0.35的關(guān)系的X射線衍射圖樣。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Kl表示2 Θ =37.4°附近的峰強(qiáng)度且Κ2表示2 Θ =37.9°附近的峰強(qiáng)度，則所述被覆膜具有其中強(qiáng)度比Κ2/Κ1滿足0.4<Κ2/Κ1<0.6的關(guān)系的X射線衍射圖樣。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 假設(shè)Kl表示2 Θ =37.4°附近的峰強(qiáng)度且Κ2表示2 Θ =43.2°附近的峰強(qiáng)度，則所述被覆膜具有其中強(qiáng)度比Κ2/Κ1滿足0.6<Κ2/Κ1<0.75的關(guān)系的X射線衍射圖樣。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述耐磨層具有柱狀晶體的結(jié)構(gòu)，并且所述柱狀晶體的平均粒度大于150nm小于等于250nmo
19.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任意一項(xiàng)所述的表面被覆切削工具，其中 所述抗粘著層具有納米顆粒的結(jié)構(gòu)，并且所述納米顆粒的平均粒度等于或小于40nm。
【文檔編號】B23C5/16GK103717332SQ201380002492
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】瀬戶山誠, 柴田彰彥, 肖銀雪, 小林啟 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社